Закон промежуточных металлов

Важно понимать, что эффект «холодного» спая является неизбежным следствием необходимости создания замкнутого контура, состоящего из различных металлов. Проявление этого эффекта количественно не зависит от числа входящих в контур соединений из разных металлов. В последнем примере контур состоял только из двух металлов: железа и меди. В формировании напряжения вольтметра участвуют одно железное-медное место соединения (J1) в точке измерения температуры и одно железное-медное место соединение (J2) в точке подключения индикатора. Вспомните, что медное-медное место соединения J3 не имеет никакого влияния, потому что соединение одинаковых металлов не производит никакого теплового напряжения:

 

Однако, встречаются случаи более сложных контуров термопары, с участием проводов более чем из двух типов металлов. Возьмем например пример с термопарой типа J:

 

Здесь мы имеем три генерирующих ЭДС места соединения: J1 железа и константана, J2 железа и меди, и J3 меди и константана. На первый взгляд, кажется, что мы имеем более сложную ситуацию, чем в примере только с двумя металлами (железо и медь). Но к счастью ситуация столь же проста, как и прежде, при условии равенства температур J2 и J3, что легко выполнимо, если эти два места соединения расположены рядом друг около друга.

Принцип термоэлектрических цепей, под названием Закон промежуточных металлов помогает нам понять это. Согласно этому закону, серия промежуточных соединений металлов не влияют на напряжение в целом при условии, что все эти промежуточные соединения находятся при одной и той же температуре. Представим это графически: результирующий эффект последовательного соединения четырех разных металлов (A, B, C и D) такой же, как и при соединении только первого и последнего металла в этой серии (A и D), при условии, если все промежуточные соединения находятся при одинаковой температуре:

 

В нашей цепи термопары типа J, где железо и константан присоединяются к медным проводам, мы видим медь как промежуточный метал между соединениями J2 и J3. Так как они расположены рядом друг с другом на индикаторе, разумно предположить, что они имеют идентичную температуру. Так что мы можем использовать закон промежуточных металлов и просто считать соединения J2 и J3 как соединение железа и константана. Другими словами, закон промежуточных металлов говорит нам, мы можем рассматривать ниже изображенные два контура одинаковыми:

 

Практическое значение этого закона состоит в том, что мы можем всегда считать «холодный» спай состоящим из тех же двух металлов, что и «горячий», при условии, что все соединения разнородных металлов находятся при одинаковой температуре. Этот факт чрезвычайно важен при подключении термопары к полупроводниковому дифференциальному усилителю. Пока сигнал термопары дойдет до кристалла, он пройдет через множество металлических соединений:

Очевидно, что каждая дополнительная пара точек соединения в этом контуре компенсирует друг друга, если каждая пара находится при одинаковой температуре (например: золото - кремниевое соединение J12 компенсируется кремниево - золотым соединением J13, потому что они генерируют одинаковое напряжение, но противоположной полярности; ковар-золотое место соединения J10 компенсируется золото-коваровым соединением J11 по той же самой причине; и т.д.). Закон промежуточных металлов подсказывает нам, что все соединения с обозначениями от J2 до J13, вместе взятые имеют тот же самый эффект как единственное место соединения железа и константана. Автоматическая компенсация «холодного» спая в этом случае столь же проста, как компенсация напряжения, произведенному этим эквивалентным железо – константановым соединения, независимо от температуры любых пар в последовательности соединений J2 – J13.