Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.

Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария-стронция, триглицинсульфат — ТГС, ниобат и танталат лития. Пироэлектрический эффект проявляется также в поляризованной, т.е. подвергнутой действию постоянного электрического поля, сегнетокерамике, а также у некоторых полимеров, например у поляризованных поливинилденфторида и поливинилиденхлорида.

Наиболее важные группы пироэлектриков.

К первой группе относятся сегнетоэлектрики. Однако для использования их пироэлектрических свойств они должны быть монодоменизированы. В свою очередь монодоменизация может быть достигнута в процессе выращивания сегнетоэлектриков или другими способами, включая температурную поляризацию. К важнейшим пироэлектрикам этого класса материалов относится триглицинсульфат ТГС и изоморфные ему соединения со специальными добавками для монодоменизации, ниобат и танталат лития, тонкие пленки нитрата калия в сегнетофазе, керамические титанат свинца и цирконат–титанат свинца с различными добавками. Все эти материалы являются нелинейными диэлектриками, в которых пирокоэффициент, обусловленный первичным пироэффектом, достигает максимума вблизи точки Кюри.

Вторая группа пироэлектриков – это линейные пироэлектрики, направление спонтанной поляризации в которых одинаково по всему объему кристалла и не может быть изменено электрическим полем. Спонтанная поляризация Р _с в таких кристаллах не снимается до нуля, как в сегнетоэлектриках. К таким пироэлектрикам относятся соединения типа А^IIB^VI со структурой вюрцита, например, монокристаллы CdS, а также сульфат лития, тетраборат лития и др. В пирокоэффициентах этих кристаллов наблюдается существенный вклад не только от первичного, но и от вторичного пьезоэффекта.

К третьей группе относятся пленочные полярные полимеры типа ПВДФ, которые весьма перспективны благодаря возможности получения из них тонких, эластичных, прочных пленок. Пироэлектрические свойства пленка приобретает после ее растяжения в 3¸5 раз и поляризации при температуре около 130⁰С в поле порядка 1 МВ/см. Некоторые сравнительные характеристики ряда важнейших пироэлектриков приведены в таблице (по Резу И.С. и Поплавко Ю. М).

Фотоварикапы

В радиотехнике и в измерительных схемах применяются полупроводниковые светочувствительные емкость (фотоварикапы), позволяющие совместить в одном приборе преобразование световой энергии в электрический сигнал и параметрическое усиление этого сигнала.

Важнйшим параметром ФВ является коэффициент световой чувствительности, характеризующий относительное изменение емкости на единицу светового потока Ф. Ввентельном режиме при малых фототоках коэффициент СЧ вычесляется:

Где сопротивление p-n-перехода при v=0Ом, – чувствительность ФВ к световому потоку. Температурный коэффициент емкости в вентельном режиме ~10^-3 К^-1.

ФВ применялись для усиления слабых фототоков и для индикации перемещения слабых световых лучей.

 

ТЕРМОПАРЫ

1. Термоэлектрические явления

Принцип действия. Основные соотношения.

Явление термоэлектричества, открытое в начале прошлого века русским академиком Эпинусом, заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис.1), причем температуру t₁ одного места соединения сделать отличной от температуры t₀ другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и являющаяся разностью функций температур мест соединения проводников:

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем, или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения – спаями.

Термопара может быть применена для измерения температуры. Если один спай термопары, называемый рабочим спаем, поместить в среду с температурой t₁, подлежащей измерению, а температуру другого – нерабочего – спая поддерживать постоянной, то и независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т.д.). Последняя взаимосвязь и положена в основу измерения температур при помощи термопар. Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура t₁ ее рабочего спая, а выходной величиной термо-э.д.с., которую термопара развивает при строго постоянной температуре t₀ нерабочего спая.

Приборы, представляющие собой сочетание термопары и указателя, используемые для измерения температуры, часто называют не термометрами, а термоэлектрическими пирометрами, хотя никакого принципиального различия между этими терминами нет.

Включить указатель в цепь термопары можно как по наиболее часто применяемой схеме рис.2,а (здесь два нерабочих спая), так и по схеме рис.2,б. Для того чтобы включение в цепь термопары указателя (т.е. третьего проводника) не изменило значения термо-э.д.с., места соединения указателя с термоэлектродами должны иметь одинаковую температуру.

Главные преимущества термопар:

- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков.
- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.
- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.

Недостатки термопар:

- необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
- возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.
- материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.
- на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
- зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
- когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

Эффект Пельтье и эффект Зеебека.

Существует явления, которые в некотором роде считают обратным возникновению термоэлектрического тока. Если составить цепь из двух разных по природе металлов, и пропустить по ней электрический ток, то один из спаев начнет нагреваться, а другой нет – это эффект называется Пельтье. Чем больше термоэлектродвижущая сила образованного при этом термоэлемента, тм более резко выражен эффект Пельтье.

 

Полупроводниковый термоэлемент представляет собой два разнотипных полупроводника, концы которых с одной стороны соединены проводящей пластиной (например, Сu), а вторые концы разомкнуты и к ним можно присоединять измерительный прибор (например, гальванометр) или источник постоянного напряжения (рис. 3.5.).

Если к р - столбику полупроводника приложите минус (–) источника питания, а к n-столбику плюс (+), то положительные носители заряда будут двигаться вниз к минусу; отрицательные заряды – к плюсу, тоже вниз. При этом возникает эффект Пельтье, т.е. одни из спаев (верхний) будет охлаждаться, а второй спай (нижний) нагреваться.

Рис. 3.5. Эффект Пельтье (а) и Зеебека (б)

Действительно, это будет иметь место и вот почему: через элемент будет протекать ток; носители заряда, которые идут вниз, в нижнем спае встречаясь, будут рекомбинировать, исчезать как носители заряда. Но ток протекает через элемент непрерывно, значит в верхнем спае должно возникать (генерироваться) столько же пар, сколько их рекомбинировало в нижнем спае. При генерации идет затрата энергии, значит верхний спай будет охлаждаться; при рекомбинации идет выделение энергии – значит нижний спай будет нагреваться. Нагрев одного спая и охлаждение другого можно подсчитать по формуле Пельтье:

Q_П = П∙I∙τ, (3.10)

где Q_П – теплота Пельтье, которая на одном спае выделяется (нагрев), а на другом поглощается (охлаждение), Дж;

I – протекающий ток, А;

τ – время протекания тока, с.

В материале, по которому протекает ток, выделяется теплота Джоуля-Ленца, причем независимо от того или другого спая.

Она определяется формулой

Q_Д-Л = 0,24∙I²∙R∙τ, (3.11)

где Q_Д-Л – теплота Джоуля-Ленца, Дж;

R – сопротивление материала, Ом.

Как видим и Q_ПиQ_Д-Лзависят от величины протекающего тока.

Эффект Зеебека показан с помощью рис. 3.5, б. Если один из спаев термоэлемента, например верхний (1), нагреть, а спай (2) охладить, то на разорванном нижнем спае появится постоянная разность потенциалов. Это произойдет в результате того, что носители заряда при наличии градиента температуры спаев будут двигаться направленно (от нагретого спая к холодному). На нижних концах столбиков термоэлемента скопятся носители заряда: на р - дырки (положительные), наn– электроны (отрицательные). Скопление противоположных носителей заряда создает электрическое поле.

Напряжение на таком термоэлементе определяется формулой Зеебека

U = A∙(Т_нагр. – Т_охл.), (3.12)

где U – напряжение;

А – коэффициент термо-ЭДС для данных пар полупроводниковых столбиков;

Т_{нагр .}– температура нагретого спая;

Т_охл. – температура охлаждаемого спая.

В термоэлектрических явлениях взаимодействуют электрические и тепловые поля. К материалам для изготовления, например, столбиков термоэлементов, предъявляются требования – иметь высокую электропроводность, т.к. эффекты зависят от величины тока, протекающего в них, но в то же время материал не должен обладать высокой теплопроводностью, чтобы тепло от нагретого спая не ухудшало эффекта охлаждения другого спая. Эти требования противоречивые, но им удовлетворяют сложные соединения типа Bi₂Te₃∙Sb₂Se₃и подобные им.

Явление Томсона

При прохождении тока по неравномерно на­гретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье. Это явление получило название явления Томсона. Его можно объяснить следую­щим образом. Так как в более нагретой части проводника электроны имеют боль­шую среднюю энергию, чем в менее на­гретой, то, двигаясь в направлении убыва­ния температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего про­исходит выделение теплоты Томсона. Если же электроны движутся в сторону воз­растания температуры, то они, наоборот, пополняют свою энергию за счет энергии решетки, в результате чего происходит поглощение теплоты Томсона.

 

2. Термопары из благородных металлов и их характеристики.

 

Благородные металлы (платина-кобальт)

Колоссальные значения Н_с = 400 кА/м. Платина-кобальт-кремний – 480 кА/м. W_max (Pt-Co) сравним с ЮНДК24. Очень большие значения магнитных характеристик обуславливают высокую стабильность из этих материалов. Их используют в очень точных э/м приборах с подвижными магнитами в качестве магнитных пружин. В бытовых приборах не используются.

 

3. Термопары из неблагородных металлов и их характеристики.

Термопары из неблагородных металлов

Тип J (железо-константановая термопара)

• Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины;
• Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы;
• Максимальная температура применения – 500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
• Показания повышаются после термического старения.
• Преимуществом является также невысокая стоимость.

Тип Е (хромель-константановая термопара)

• Преимуществом является высокая чувствительность.
• Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
• Подходит для использования при низких температурах.

s Тип Т (медь-константановая термопара)

• Может использоваться ниже 0 °С;
• Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода;
• Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С;
• Не чувствительна к повышенной влажности;
• Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Тип К (хромель-алюмелевая термопара)

• Широко используются в различных областях от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода);
• В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5 °С;
• Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода;
• После термического старения показания снижаются;
• Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру;
• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

• Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
• Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки).
• Кратковременная работа возможна при 1250 °С;
• Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К);
• Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.