Как инженеры измеряют температуру? Все мы привыкли, что измерительные приборы температуры – это термометры. Они хороши для своих целей и измеряют достаточно точно из-за своего простого механизма работы (расширения жидкостей при нагреве). Но сфера их применения достаточно ограничена, и, когда вам нужно померить температуру чего-то отличного от окружающего воздуха или нагретой на плитке воды, эти термометры становятся бесполезны, особенно при экстремальных условиях. Как выкручиваются инженеры, которым надо проводить испытания при высоких или низких температурах и контролировать значения прямо на образце? Как контролируют температуру термисты, которым надо проводить термическую обработку в печи, синтез новых материалов или спекание порошков? Всем этим отраслям пришлось бы очень непросто, если бы природа не подготовила для них щедрый подарок под названием эффект Зеебека. Если мы возьмем металлическую проволоку и начнем ее нагревать с одного конца, свободные электроны, которые находятся в проводнике в виде газа, начнут двигаться интенсивнее (также, как и молекулы нагретого газа в стеклянной трубке). А более интенсивное движение приводит к тому, что электроны могут разлетаться в проводнике на большие расстояния, по сравнению с электронами меньшей энергии на другом не нагретом конце (первая картинка). Таким образом, количество электронов на нагретом конце провода будет меньше, чем на не нагретом (они туда перемещаются). А мы знаем, что, если с одной стороны возникает избыток отрицательных зарядов, а с другой недостаток, то между этими двумя концами возникает разность потенциалов, называемая термоЭДС. В этом и заключается эффект Зеебека. Теперь давайте рассмотрим, как это используется для измерения температуры. Для того, чтобы использовать измерения термоЭДС в своих целях нам нужна замкнутая цепь, по которой может протекать ток. Можно сложить этот провод вдвое и замкнуть сам на себя через какой-то измерительный прибор (например, вольтметр), и нагревать, к примеру, место сгиба. Увидим ли мы какие-то изменения? Количество перетекших электронов от нагретого сгиба по двум веткам одного и того же проводника одинаково, а, значит, в этих ветках создается одинаковая разность потенциалов, которая не дает электронам двигаться по кругу (для движения нужно, неравное количество зарядов в двух ветках контура). Поэтому ток в такой системе не пойдет. Чтобы это работало, нужно соединить в цепь два разных проводника, у которых одинаковое подведенное количество теплоты приводит к разному количеству перенесенных электронов от одного конца в другой, а, значит, разной термоЭДС (картинка 2). И вот, когда мы их спаиваем вместе в цепь и нагреваем место соединения, то на двух проводниках в контуре возникнет разная разность потенциалов, а это и будет движущей силой, чтобы ток потек по контуру. Грубо говоря, остаются лишние электроны, которые могут участвовать в протекании тока в системе. Такое соединение разнородных проводников называется термопара. Это устройство показывает протекающий ток, величина которого меняется с изменением температуры нагретого конца. Далее экспериментально значения тока сопоставляются с температурой и делается градуировочная шкала. Она уже обычно встроена во все приборы и на выходе мы видим показатели температуры. Самая распространенная термопара – спай сплавов никель-хром и никель-алюминий (хромель-алюмелевая термопара). Она закрывает большую часть задач и работает от экстремально низких (-200°С) до высоких (1000°С) температур. При более высоких температурах такая термопара может окисляться или изменять свою структуру и приходить в негодность, поэтому используются платинородиевые термопары, т.к. благородные металлы более устойчивы к окислению. А вообще, часто эти устройства находятся в защитном от окисления кожухе. Принцип работы очень простой, основанный на электрических явлениях, но сколько пользы этот эффект принес человечеству...