Термоэлектрические явления. Термопара

Сверхпроводящие болометры.

Особую группу болометров составляют сверхпроводящие болометры, основанные на резком изменении электрического сопротивления при переходе некоторых металлов и полупроводников от нормального к сверхпроводящему состоянию. Чаще всего в сверхпроводящих болометрах применяют узкую полоску нитрида ниобия, который становится сверхпроводящим при температуре 15 К. В переходном диапазоне, составляющем доли градуса, температурный коэффициент сопротивления b достигает 5000%/^оС. В последнее время широкое применение находят ВТСП материалы (например, YBaCuO), которые переходят в сверхпроводящее состояние при более высоких температурах - (40…92) К.

Некоторые параметры сверхпроводниковых болометров:

S» 1 В/Вт,

Р = (3×10^-11-5×10^-14) Вт×Гц^-1/2,

t = 10^-4-10^-3с,

Шумы практически отсутствуют, т.к. чувствительный элемент работает, как правило, при низкой температуре.

Напомним основные термоэлектрические явления.

1. Явление Пельтье. Если через спай двух разнородных проводников или полупроводников пропустить постоянный электрический ток, то один конец спая будет охлаждаться, а другой – нагреваться. На основе этого явления работают термоэлектрические холодильники. При их создании проблемой являются отвод тепла с горячего спая и необходимость большого тока для получения максимального эффекта. Термоэлектрический эффект равен:

Z = a²×s/c,

где a - коэффициент термоэдс, s- проводимость, c- теплопроводность.

Мощность тепловыделения Q = П×j, П – коэффициент Пельтье, j – плотность тока.

2. Явление Зеебека. При наличии в цепи из двух разнородных проводников градиента температур на концах цепи возникает термоэдс, а при замыкании цепи на внешнюю нагрузку в ней фиксируется напряжение U = I×(r+R), I – ток, R – внешняя нагрузка, dU = a×dT. Появление термоэдс является результатом изменения энергии и скорости электронов в зависимости от градиента температуры. При наличии переменной температуры вдоль проводника электроны на горячем конце (нагретом спае) приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном, что способствует их диффузии в направлении, обратном градиенту температур. Вследствие этого электроны устремляются к холодному концу, заряжая его отрицательно, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд.

3. Явление Томсона. Выделение теплоты, избыточной над джоулевой, при прохождении постоянного тока по неравномерно нагретому однородному проводнику или полупроводнику.

На эффекте Зеебека основана работа термоэлектрического элемента, термопары, которая является тепловым неселективным приемником лучистого потока. Падающее излучение изменяет температуру термоспая, вызывая появление э.д.с. Для уменьшения теплоёмкости и потерь тепла термопары изготавливают весьма малых размеров, приёмные площадки не могут существенно превышать по размерам область спая. Для точного измерения лучистого потока или температуры изготавливают компенсационный спай, который помещают в тающий лед (t = 0°С). В литературе имеются таблицы зависимости напряжения в мВ или в мкВ от температуры для термопар различного состава. Наиболее распространенные термопары: платина-родий, медь-константан, хромель-алюмель; кремний, сурьма, теллур n-и р-типа. Металлы имеют коэффициент термоэдс a = (2-3)мкВ/гр, полупроводники – (10²-10³)мкВ/гр. Приёмники излучения на основе эффекта Зеебека обладают значительной инерционностью. Схемы включения термопары и термобатареи представлены на рис. 14.

Рис. 14. Принципиальные схемы включения термоэлемента (а) и

термобатареи (б).

Параметры термопары

S» 2 В/Вт,

D* ~ 3·10⁸ cм·Гц^1/2·Вт^-1,

R ~ (10-50) Ом,

t = (20 – 30) мс,

А = (2 х 0.2) мм²,

l = (0.3 – 38) мкм.

Шум – радиационный, температурный, шум Джонсона.

Дата добавления: 2014-01-05