热电极

热电极与热电偶回路

两种不同材料A、B导体两端相互紧密连接组成闭合回路，当两接点温度不等（设工作端温度t高于冷端温度t₀）时，回路中产生热电动势，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。组成热电偶的导体A、B称为热电极。两个接点中，置于被测温度场中的一端称为工作端或热端（温度t），另一端称为自由端或冷端（温度t₀），一般要求冷端恒定在某一温度。

热电动势的构成

热电动势来源于两部分：两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势。

接触电动势：不同导体自由电子密度不同，接触处发生电子扩散，扩散速率不等导致接触处形成电位差。设导体A的自由电子密度大于导体B，则A失去电子带正电，B得到电子带负电，该电位差阻碍电子进一步扩散，达到动态平衡。接触电动势与导体材料、接点温度有关，与导体直径、长度、几何形状无关。两接点接触电动势分别表示为
$E_{AB}(t)=\frac{kt}{e}\ln \frac{n_A(t)}{n_B(t)}$
$E_{AB}(t_0)=\frac{k{t}_0}{e}\ln \frac{n_A(t_0)}{n_B(t_0)}$
式中k为玻尔兹曼常数，e为单个电子电荷量，t、t₀为两接触处的绝对温度，n_A、n_B为材料A、B的自由电子密度。

温差电动势：单一导体两端置于不同温度场时，热端自由电子动能较大向冷端移动，热端失去电子带正电，冷端得到电子带负电，形成热端指向冷端的静电场，达到动态平衡后导体两端产生电位差。温差电动势取决于导体材料和两端温度。

回路总热电动势为接触电动势与温差电动势的综合结果，可表示为
$E_{AB}(t,t_0)=f(t)-f(t_0)$
当冷端温度t₀恒定时，f(t₀)为常数C，则
$E_{AB}(t,t_0)=f(t)-C=\phi (t)$
此时热电动势成为工作端温度t的单一函数，这是热电偶测温的基础。

热电极材料与热电势的关系

热电动势大小与材料（自由电子密度n_A、n_B）和接点温度（t、t₀）有关，与热电极的尺寸、形状等无关。若两热电极材料相同，无论两接点温度如何，总热电动势始终为0。若两接点温度相同（t=t₀），尽管A、B材料不同，回路中总电动势依然为0。

热电势具有可加性：热电偶在接点温度为t₁、t₃时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为t₁、t₂与t₂、t₃两个不同状态下的热电动势之和，即
$E_{AB}(t_1,t_3)=E_{AB}(t_1,t_2)+E_{AB}(t_2,t_3)$

参考电极定律

任意几个热电极与一标准电极C组成热电偶产生的热电动势已知时，可以求出这些热电极彼此任意组合时的热电动势：
$E_{AB}(t,t_0)=E_{AC}(t,t_0)+E_{CB}(t,t_0)$
标准电极C通常选用高纯铂丝，因为铂的物理-化学性质稳定。只要测得各种金属与铂组成热电偶的热电动势，各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据参考电极定律计算出来。

均质导体定律

如果组成热电偶的两个热电极的材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电动势均为0。均质导体定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及热电极材料的均匀性。

热电极的直径与机械耐用性

热电极的直径大小由材料价格、机械强度、导电率、热电偶的用途和测量范围等因素决定。普通金属做成的热电极，其直径一般在0.5~3.2mm；贵重金属做成的热电极，其直径一般为0.3~0.6mm。热电极的长度取决于应用需要和安装条件，通常为300~2000mm，常用长度为350mm。

热电极材料的选取条件

用作热电极的材料一般应具备以下条件：性能稳定，在规定温度测量范围内热电性能稳定、均匀性和复现性好；温度测量范围广，热电动势随温度变化率大且温度与热电动势关系为单值函数，最好成线性关系；物理-化学性能稳定，不易氧化或腐蚀，不产生蒸发现象；导电率要高，电阻温度系数要小；机械强度高、复制性好、复制工艺简单、价格便宜。

上述电子密度对数和接触势分解是教材的简化模型，不能作为所有金属热电偶的定量通式，也不能把“接触势占主导”作无条件物理结论。实际均匀热电极的回路输出可写为 $E_{AB}(T,T_0)={\int }_{T_0}^T[S_A(\vartheta )-S_B(\vartheta )]d\vartheta$，其中 $S_A,S_B$ 为材料塞贝克系数（V/K），积分变量为绝对温度（K），极性按回路方向约定。量值采用实验分度关系，结点便于界定端温，热电势形成与温度梯度中的材料热电性质有关。