| Referate | Director web | Adauga link | Contact |

Titlu referat: Senzori termoelectrici

Nivel referat: liceu

Descriere referat:
SENZORI TERMOELECTRICI
PENTRU
TEMPERATURA
1. Efecte
termoelectrice
Fie doua metale A si B sub forma de sarme ale
caror capete le unim prin sudura, lipire sau pur si simplu rasucire realizand
in acest fel doua jonctiuni 1 si 2. Daca cele doua jonctiuni se mentin la
temperaturi diferite T1
T2 atunci prin circuit va
circula un curent electric datorita tensiunii electrice generate de diferenta
de temperatura dintre cele doua jonctiuni. Intrerupand unul din conductori vom
putea masura diferenta de potential generata de diferenta de temperatura dintre
cele doua jonctiuni. Acest fenomen a fost pus in evidenta de Seebeck in anul
1821 si poarta numele de efect Seebeck [1]. In tabelul alaturat prezentam valoarea tensiunii
termoelectromotoare (t.t.e.m.) U, in milivolti, pentru diverse materiale fata
de platina (Pt) atunci cand o jonctiune este mentinuta la 0 oC si cealalta la 100 oC.
Metal
Ag
Bi
Cu
Co
Fe
Ge
Mo
Ni
Pb
Sb
Si
U(mV)
0,74
-7,34
0,76
-1,33
1,98
33,9
1,45
-1,48
0,44
4,89
-41,5
Se vede ca cea mai mare t.t.e.m. se poate
obtine cu antimoniu (stibiu,Sb) si bismut (Bi) ca termocuplu metalic. Curentul
electric circula de la Sb la Bi prin jonctiunea rece. Tensiuni mult mai mari se
pot obtine folosind materiale semiconductoare pentru realizarea termocuplului.
Metalele se pot ordona intr-o serie : Bi, Pt, Pb, Cu, Ag, Fe, Sb, astfel incat
in oricare cuplu realizat curentul va circula in jonctiunea calda de la metalul
aflat mai la stanga in serie catre cel aflat mai la dreapta.
In 1834 Peltier a descoperit ca trecand curent
electric prin jonctiunea realizata cu doua metale diferite in functie de sensul
curentului se absoarbe sau se cedeaza caldura P·q proportionala cu cantitatea
de electricitate q ce traverseaza jonctiunea, acesta fiind efectul Peltier.
Coeficientul Peltier
P al jonctiunii e definit ca energie termica cedata sau absorbita reversibil la
jonctiunea dintre cele doua metale cand aceasta e traversata de cantitatea de
electricitate unitate([P]SI
= J/C = V).
Explicatie microscopica.Punand impreuna cele doua metale se egaleaza nivelele lor Fermi
prin transfer de sarcini electrice. Fiindca energiile cinetice corespunzatoare
electronilor aflati in jurul nivelului Fermi (se masoara de la fundul benzii de
conductie la nivelul Fermi) difera in cele doua metale atunci cand un electron
cu energie cinetica mare traverseaza jonctiunea catre metalul cu energie
cinetica mai mica surplusul sau de energie il cedeaza sub forma de energie
termica retelei cristaline a metalului. Daca inversam sensul curentului
electric electronul cu energie cinetica mai mica traversand jonctiunea in
metalul cu energie cinetica mai mare corespunzatoare nivelului Fermi va absorbi
energie termica din reteaua cristalina a acestui metal ca sa isi completeze
deficitul de energie cinetica.
In 1851 Thomson (lordul Kelvin) descopera ca
intr-un conductor omogen ale carui capete se afla la temperaturi diferite se
produce sau se absoarbe in mod reversibil caldura "h× q" proportionala cu
cantitatea de electricitate deplasata "q", efectul
Thomson [2].
Coeficientul Thomson
"h" al unui material reprezinta cantitatea de caldura absorbita sau generata
reversibil cand sarcina electrica unitate traverseaza doua puncte din material
a caror temperatura difera cu un grad Celsius sau Kelvin ([h]SI = J/(C× K) = V/K, util m V/
oC).
Trebuie precizat clar ca efectul Thomson este
altceva decat efectul Joule. In efectul Joule materialul se incalzeste sub
actiunea curentului electric, se genereaza caldura in mod ireversibil,
indiferent de sensul curentului electric si proportional cu patratul
intensitatii lui, iar in efectul Thomson se poate genera sau absorbi caldura in
mod reversibil, depinzand de sensul curentului electric si proportional cu
intensitatea lui.
Explicatie microscopica. Daca curentul electric circula de la capatul cald al materialului
catre cel rece, iar purtatorii mobili de sarcina electrica sunt golurile,
sarcini pozitive, atunci golurile "calde" deplasandu-se spre capatul rece
transporta o anumita cantitate de caldura suplimentara. Schimband sensul
curentului golurile "reci" in deplasarea lor spre capatul cald vor absorbi o
anumita cantitate de caldura suplimentara. Daca purtatorii mobili de sarcina
electrica sunt electronii, sarcini negative, atunci in primul caz se absoarbe
caldura,sensul deplasarii electronilor fiind de la capatul rece spre cel cald,
iar in cazul al doilea se genereaza caldura.
Acest model microscopic ne permite sa evaluam
coeficientul Thomson. Capacitatea calorica a electronilor de conductie din
untatea de volum este:
cv = (p2/2)·(T/TF)·n·kB
,
unde:
N – este
numarul electronilor din unitatea de volum,
TF – temperatura Fermi corespunzatoare
energiei cinetice a electronilor aflati langa nivelul Fermi,
kB – constanta Boltzmann si
T –
temperatura metalului.
Capacitatea calorica a unitatii de sarcina
electrca va fi:
h = cv/(n·e) = (p2/2)·(T/TF)·kB/e
(1)
adica coeficientul
Thomson.
Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.)
generata de un termocuplu la care o jonctiune este mentinuta la temperatura
constanta T0 , temperatura T
a celeilalte jonctiuni fiind variabila, variaza cu temperatura dupa legea :
U = a·T
2 + b·T + c (2)
coeficientul Seebeck
S fiind:
S = dU/dT = 2·a·T + b, [S]SI = V/K (util m V/oC) (3)
Termocuplul Cu – Fe
U(mV)
0
0,5
1
1,5
1
0,5
0
T(oC)
0
57
135
285
455
513
570
Temperatura la care tensiunea
termoelectromotoare U este maxima se numeste temperatura neutra (285 oC), iar cea la care sensul t.t.e.m. isi
schimba semnul se numeste temperatura de
inversiune (570 oC).
Pentru majoritatea metalelor graficul
coeficientului Seebeck in functie de temperatura este o linie dreapta. Pentru
fier diagrama contine o serie de trepte paralele, temperaturile asociate
punctelor de inflexiune de pe grafic corespunzand temperaturilor critice ale
tranzitiilor de faza ale fierului.
Efectul Seebeck are trei cauze care se
reflecta in coeficientul Seebeck :
S = Sv+Sc+Sf
(4)
Sv - componenta volumica a coeficientului Seebeck, datorata difuziei
preponderente a purtatorilor mobili de sarcina electrica de la extremitatea
calda spre cea rece;
Sc - componenta de contact a coeficientului Seebeck, datorata
variatiei potentialului de contact cu temperatura, legat de dependenta de
temperatura a potentialului chimic (nivelului Fermi F)
Sc = - (1/e) dF/dT (5)
Sf - componenta fononica a coeficientului Seebeck, datorata
antrenarii electronilor de conductie de catre fononii (vibratiile retelei
cristaline) care se deplaseaza de la extremitatea calda spre cea rece
(importanta doar la temperaturi joase, criogenice).
Primul principiu al termodinamicii aplicat
efectului termoelectric (conservarea energiei): Lucrul mecanic efectuat asupra
sarcinii electrice "q" deplasate in circuitul inchis format de cele doua metale
A si B prin diferenta de potential termoelectric U [q× U] este egal cu suma
algebrica a caldurilor schimbate de sistem cu mediul la nivelul jonctiunilor 1
si 2 prin efect Peltier [q× P1-q× P2] si pe
lungimea fiecarui conductor prin efect Tomson [q×? (hB-hA)× dT]:
q× U = q× P1-q× P2+ q×? (hB-hA)× dT (6)
Derivand relatia dupa temperatura obtinem:
S = hB-hA+dP/dT
(7)
Fiind un ciclu termodinamic inchis pe care il
parcurge sarcina "q" in drumul ei prin circuit al doilea principiu al
termodinamicii ne spune ca variatia entropiei (caldura impartita la temperatura
dQ/T) este zero :
q× P1/T1-q×
P2/T2 + q×? (hB/T- hA/T)× dT = 0 (8)
Derivand relatia dupa temperatura obtinem:
d(P/T)/dT=(hA-hB)/T sau hA-hB = T× d(P/T)/dT (9)
care inlocuita in relatia primului principiu
da:
S = P/T sau P = S× T (10)
Aceasta relatie folosita pentru eliminarea
coeficientului Peltier din relatia corespunzatoare principiului doi da :
hA-hB = T× dS/dT
sau hA-hB = T× d
2U/dT 2 (11)
Relatiile de baza ale coeficientilor efectelor
termoelectrice sunt:
P = S× T si h = T× dS/dT (12)
Ele ne permit evaluarea coeficientului Seebeck
pentru metale stiind coeficientul Thomson h=(p2/2)× (T/TF)× kB/e:
S = ? (h/T)× dT= h (13)



Curs valutar
Euro4,5511
Dolarul american4,2615
Lira Sterlina5,3015
Gramul de aur170,1555
Leul moldovenesc0,2176
Materii referate

Anatomie (61)

Astronomie (61)

Biologie (546)

Chimie (530)

Contabilitate (87)

Design (4)

Diverse (878)

Drept (356)

Ecologie (59)

Economie (520)

Educatie Fizica (2)

Educatie si Invatanmant (2)

Engleza (463)

Filosofie (99)

Fizica (343)

Franceza (25)

Geografie (838)

Germana (40)

Informatica (354)

Istorie (1169)

Italiana (21)

Latina (26)

Literatura (22)

Logica (6)

Management (133)

Marketing (118)

Matematica (114)

Mecanica (13)

Medicina si Farmacie (229)

Muzica (35)

Psihologie (337)

Religie (248)

Romana (2303)

Spaniola (31)

Statistica (17)

Stiinte politice (27)

Turism (64)

Nota explicativa

Informatiile oferite de acuz.net au scop educativ si orientativ pentru cercetare academica. Va recomandam utilizarea acestora doar ca sursa de inspiratie sau ca resurse educationale.