Một số phương pháp chuyển đổi tín hiệu và ứng dụng

CHƯƠNG IMỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN Đ ổ i NHIỆT - ĐIỆN Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong sô các đai lượng được quan tâm nhiều nhất.. Tuy chúng ta không thể xác định

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

^ ^1* ^

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN Đ ổ i TÍN HIÊU

VÀ ÚNG DỤNG

MÃ SỐ: QT-04-03

C H Ú TRÌ ĐỂ TÀI : PGS TS PHAM Q U Ố C TRIỆL

I 'J^,i hGC tJUOC 1 - 1-1A í

' ' i V u N G T Á Ỉ / I T H C A C i*r-i THI J

[ p j V 4 4 j

HÀ NỘI - 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

MỤC LỤC

Lời mở đầu 1

Chương I: Một sô phương pháp chuyên đổi nhiệt - điện 3

1.1 Chuyển đổi nhiệt - điện bằng điện trở 3

1.2 Chuyển đổi nhiệt - điện bằng cặp nhiệt 12

1.3 Chuyển đổi nhiệt - điện bằng diode và tran sisto r 20

Chương II: Tìm hiểu một sô quy luật trong quá trình bức xạ nhiệt 24

2.1 Một số khái niệm và định nghĩa cơ b á n 24

2.2 Đạc tính bức xạ cua vật đen tuyệt đ ố i 26

2.3 Bức xạ, hấp thụ và phản xạ của các vật th ự c 31

Chương III: Thiết bị chuyển đổi nhiêt - điện do bức xạ nhiệt 39

3.1 Những đặc tính của qúa trinh chuyến đổi nhiêt - điên bàng bán dẫn p - n 39

3.2 Thiết bị đo sự thay đổi nhiệt độ thông qua hiêu điện thế trên bán dẫn p-n 42

3.3 Thiết bị chuyển đổi nhiệt - điện cho bức xa nhiêt 45

Chương IV: Các kết quả đo và biện luận 53

4.1 Kháo sát sự phụ thuòc vào nhiệt độ lớp chuyển tiếp p-n của hiệu điện thế phân cực th u â n 53

4.2 Kháo sát sự phu thuộc cúa hiệu điện thế giữa hai đầu bán dẫn vào công suất bức xạ của nguồn 58

4.3 So sánh tỷ số giữa tín hiệu thu được khi có kính lọc

và khi khổng có kính lọc ờ những khoảng cách khác nhau 62

4.4 Thảo luận và đánh giá khả năng ứng dụng cúa thiết bi .68

Kết luận c h u n g 69

Tài liệu tham k h ả o 70

là một thiết bị đo dùng quá trình chuyển đổi tín hiệu nhiệt - điện băng bán dẫn làm cơ sở (Đáv là một vật liêu vừa có nhiều tính năng đăc biệt lai gon nhe và dẻ chê tạo) Mục đích cúa thiết bị là để đo được nhiệt độ của các vật ờ một khoáng cách nào đó nhờ quá trình bức xạ năng lượng của chúng Từ đó ta có thế dùnỉí nó

đê đo nhiệt độ của các lò nung, bóng đèn và cũng dựa trên nguyên tắc đó ta có thể chế tạo được những thiết bị đo có tính năng hoàn háo hơn đê đo nhiệt độ cúa mặt trời và các hành tinh

1

B ố cục bản báo cáo được chia làm 4 chương

Chương I: Một số phương pháp chuyển đổi nhiệt - điện

Chương II: Tìm hiểu một số quy luật trong quá trình bức xạ nhiệt Chương III: Thiết bị chuyển đổi nhiệt điện do bức xạ nhiêt

Chương IV: Các kết quả đo và thảo luận

CHƯƠNG I

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN Đ ổ i NHIỆT - ĐIỆN

Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong sô các đai lượng được quan tâm nhiều nhất Nó có vai trò quyết định trong nhiều tính chát của vật chất Do vậy, việc xác định trị số của một nhiệt độ là một điều hết sức quan trọng Tuy chúng ta không thể xác định nhiệt độ một cách định lượng bằng cách

so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất - gọi là đại lượng chuẩn - như rất nhiều đại lượng vật lý khác, nhưng nhờ việc nhiệt độ có thế làm thay đối một cách liên tuc các đai lượng chịu ảnh hưởng của nó, ta có thể dưa vào giá tri của các đại lượng chịu ánh hưởng của nó và môí quan hệ giữa chúng thông qua các dụng cụ mà trên đó thế hiên mối quan hệ đó để đo nhiệt độ Các dung cụ này là các dụng cụ chuyển đổi tín hiệu khác sang tín hiệu nhiệt, thông thường goi là nhiệt kế Trong cuốn luận văn này ta chỉ xét các quá trình chuyển dổi tín hiệu nhiệt sang tín hiệu điện Chương này chúng ta sẽ nghiên cứu một sô' phươntỉ pháp chuyến đổi nhiệt - điện

1.1 Chuyên đổi nhiệt-điện bàng điện trở

7.7.7 Độ nhạy n h iệt

1.1 ỉa Khái niệm

Độ nhạy nhiêt a R hay còn gọi là hê số nhiêt độ cùa điện trớ được đưa ra như sau:

Trong trường hợp tổng quát, giá trị cùa một điện trở phụ thuộc vào nhiẽt

"Ị

J

R0 là điện trở ở nhiệt độ Tị,

F là hàm đặc trưng cho vật liệu, F = 1 khi T = T0

Trong đó T đo bằng °c và T0 = 0°c

Với hỗn hợp của các oxít bán dẫn (nhiệt điện trờ)

Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đôi

Các hộ số được xác định chính xác bằng cách đo nhiệt độ đã biết trước Khi đã biết giá trị của các hằng số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt

Ị ỉ 1 b Biểu thức của độ nhạy nhiệt

Chất lượng của thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được :

Do vậy nó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất cứa nhiệt độ có the phát hiện được:

Sự thay đổi theo nhiệt độ của một điện trở phụ thuôc đồng thời vào điên trớ

suất p và kích thước hình học của nó Đôi với một đâv điện trờ có chiểu dài < và tiết diện s hệ số nhiêt độ được tính theo biểu thức :

1 1 2 C h ế tạo d ụ n g cụ chuyên đổi nhiệt -điện bang điện trờ kim loai

ỉ ỉ 2a Nhữni> điêu kiện cần thiết

Đế chế tạo dụng cụ này trước hết ta phái dựa vào dái nhiệt độ cán do và các tính chất đặc biệt khác của vật liệu (tính chất vật lý, hoá học V V ) chon ra kim loại cần dùng phù hợp

thể được dùng để chê tạo những sợi dây rất mảnh tôi thiểu hoá kích thước cùa điện trở.

Ngoài ra còn phải lưu ý tới mối liên hệ giữa giá trị điện trở và kích thước dây Sự thay đổi vì nhiệt của một điện trở AR=R a R AT sẽ gây nên một điện áp

đo Vm= ÀR.i Trong đó i là dòng điện chạy qua điện trở Thông thường i giới hạn

ở giá trị vài mA để tránh làm nóng đầu đo Để có độ nhạy cao phải sử dụn2 các điện trở tương đối lớn muốn vậy phải:

- Giám tiết diện dây, việc này bị giới hạn bởi nó làm dây mánh dẻ đứt

- Tăng chiểu dài dây, việc này cũng bị giới hạn vì nó làm tãng kích thước cùa điện trở

Đê khắc phục người ta dùng giái pháp sau đây:

Ấn định giá trị R -1 0 0 Q ở 0"C Khi đó, nếu dùng Pt đường kính dây cỡ vài chục Ị-im và chiểu dài khoáng 10 cm, sau khi cuộn lại sẽ nhận được một nhiệt kê

cỡ 1 cm Trên thực tế các sán phấm thương mại có điện trờ ớ 0"c là 50Q, 500Q

và 1000C2 Các điện trở có chỉ số lớn thường được sứ dung đế đo ơ dái nhiệt độ thấp, ở đó chúng cho phép đo với độ nhay tương đối tốt Trong công nghiêp các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh (bằng thép) Khi chế tạo nhiêt kế cán chú ý tới hệ số giãn nờ nhiệt của các vật liệu cấu thành đế tránh gây ứnơ suất trong quá trình làm việc Độ kín của vỏ bọc cần được đám bảo môt cách tuyệt đối

1 1 2b Vi dụ về một loại dụnq cụ chuyên đôi nhiệt - điện bằng kim loại

Ta lấy ví dụ vé dụna cu do nhiệt độ trẽn bề mặt vật rán gọi là nhiệt kế bè mặt Nó được chế tạo bàng phương pháp quang hoá và sử dung các vật liêu làm điên trờ lù Ni, Fe-Ni, hoặc Pt Chiều dày lớp kim loai cỡ mỏt vài |im và kích thước nhiệt kế cỡ c m : Các đạc trung chính cua nhiêt kế bé mãt như sau:

Độ nhạy a R ~ 5 10'V’C đối với trường hợp Ni và Ni-Fe

~ 4 10 Y ’c đối với trường hợp Pt Dải nhiệt độ sử dụng +từ -195°Cđến 260°c đối với Ni và Fe-Ni

+ từ -260llC đến 1400°c đối với Pt

Hình ỉ ỉ :Nhiệt k ế bể mặt

Khi sử d ụ n g n h iệt k ế được dán lên bề mặt cần đo nhiệt độ Tí lệ bê mặt /thể tích cao và trở kháng nhiệt nhò để đảm báo cho thời gian hồi đáp dạt cỡ mili giây Tuy nhiên cần lưu ý là nhiệt kế bể mặt rất nhạy với mọi biên dạng của cấu trúc bề mặt được dán nhiệt kế Hộ số cảm biến của Ni phu thuôc vào biến dạng: giá trị của nó nhỏ khi bị nén Bởi vậy nếu không thế dán nó lẻn bé mặt không có biến dang thì hãy dán nó lên vùng chịu biến dạng nén

Một nguyên nhân quan trọng dẫn đến sai số cùa phép đo là biên dạng gâv nên do độ giãn nở vì nhiệt của nhệt kế khác VỚI độ giãn nở vì nhiẹt của bé măt cần đo nhiệt độ Hiệu ứng này đăc biệt lớn khi nhiệt độ cần đo lớn hơn nhièu so với nhiệt độ môi trường xung quanh Bởi vậy các nhà thiết kế phái được cung cấp các số liệu về sự phụ thuôc của điện trở vào nhiệt độ đối với vật liêu cần đo

7

1.1 3 Chê tạo d ụ n g cụ chuyển dôi nhiêt -điên bằng n h iêt điên trở

1.1 3a Đặc điểm chung

+ Độ nhạy nhiệt rất cao, lớn hơn kim loại khoảng 10 lần ngoài ra hệ sỏ

nhiệt có giá trị âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ

+ Chế tạo nhiệt điện trở: Người ta trộn hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể như MgO, M gAl20 4, M n20 3, Fe30 4, Co20 3, NiO, Z n T i0 4 với nhau theo một tỉ

lệ thích hợp, sau đó chúng được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000°C Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phú bằng một lớp kim loại Hình dáng bên ngoài của chúng có thể khác nhau (hình đĩa, hình trụ, v ò n g ) và phần tử nhạy cảm có thế đươc boc một lớp báo vê hoãc

để trần Các vật liệu được sử dụng thường có điện trớ suất cao cho phép chế tạo những điện trở có giá trị thích hợp với một lượng vật chất rất nhỏ và với kích thước tối thiểu (cỡ mm) cho phép đo nhiệt độ ở từng điếm

+ Điều kiện sử dụng: v ỏ bọc của nhiêt điện trở sẽ báo vê nó không bị phá huỷ hoá học và tâng độ ổn định khi làm việc Trong quá trình sứ dụng cán phái tránh nhũng thăng giáng nhiêt độ đột ngột, bởi vì điều này có thế làm rạn nứt vật liệu Phụ thuôc vào loại nhiệt điện trở, dải nhiệt độ làm việc có thể thay đổi từ vài

độ tuyệt đối đến khoảng 573°K Có thế mở rộng dải nhiêt độ này nhưng khi đó trị

số của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao

1.1,3b Độ dẫn của nhiệt điện trở

Một cách tổng quát, độ dần của một chất bán dẩn đươc biếu diễn bơi côngthức:

Trong đó ]an, Hp là độ linh động và n, p là nồng độ cua điện tứ và lỗ trông,

q là điện tích của chúng (q = l, 6, 10 I9C) Trái ngược với trường hợp kim loai, đối với chất bán dẫn, nhiệt độ ảnh hường chú yếu tới nổng đô điên tử và lỗ trỏng

(n, p) Sự thay đổi làm đứt mối liên kết giữa các nguyên từ và dẫn tới sư hình thành các cặp điện tử - lỗ trống Sô cặp G được hình thành trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị thể tích được biểu diễn bởi công thức:

G = A r e x p í - ^

{ k ĩ

Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối của chất bán dẫn E, là nâng lượng cần thiết đế làm đứt một liên kết A và a là hằng số đặc trưng cho vật liệu Tuy nhiên một điện tử và một lỗ trống có thể tái hợp để hình thành một mối liên kết Số lần tái hợp R trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị thể tích tỉ lệ với nồng dộ điện

tử và lỗ trống tự do:

Nếu tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ linh đông của điên tư |_in và

lỗ trống n p thì biểu thức độ dẫn có thể được viết dưới dạng:

R=r n pTrong đó r là hệ sô tái hợp Vì n=p nên:

E, là năng lượng liên kết

1.1.3c Quan hệ điện trỏ I nhiệt độ

Từ biểu thức độ dản ơ có thể viết biểu thức của điện trở như sau:

Độ nhav nhiệt cao cùa một nhiệt điện trờ cho phép ứn2 duns Chuns dè phát hiện những biến thiên rất nhỏ cùa nhiệt đô( 10'4 đến 10 K)

a p + b ĩ T 2 (1. 2 0)

(1.21)

— 1 /

— i / /

/

- V

- í - í

2 10 3 m 4 10 5 I0 5(10 400 300 250 250

I n

T( K I

Hình Ỉ 2: Các đặc írưnq của một nhiệt điện trở

a)Điện trỏ ; b)Độ nhạy nhiệt

1.1.4 Chê tạo d ụ n g cụ chuyển đôi nhiệt - điện bằng điện trở S i

Đây là một điện trở bán dẫn nhưng nó khác với những nhiệt điên trờ nói trẽn ớ những điểm sau:

+ Hệ số nhiêt độ của điện trở suất có giá trị dương cỡ 0 , 17c "C ờ 25 c. Sư thay đổi nhiệt của nó tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá đăc tuyến cua nhiêt

kê trong vùng nhiệt độ làm việc (hình 1.3) bằng cách mắc thêm một điện trớ phụ (song song hoặc nối tiếp)

+ Khoảng nhiệt độ sử dụng bị hạn chế trong khoáng từ -50“C đến 120"CCác điện trở Si được chế tạo bàng công nghệ khuếch tán tạp chất vào đơn tinh thê Si Sự thay đổi nhiệt của điện trở suất của Si phụ thuộc vào nồng độ pha tạp và vào nhiệt độ

1 2 Chuyển đòi nhiêt- điên bàng căp nhiệt

1.2.1 Đặc trưng c h u n g và độ nhạy nhiệt

l 2.1 a Đặc trưnẹ chun<>

+ Cấu tao và nguyên tắc hoạt động

Cãp nhiệt điên có cấu tạo gổm hai đầu dâv dẫn A và B được nối với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T|Và T2 Suất điện động E phu thuộc vào ban chát vật liệu làm các dâv dẫn A B và vào nhiêt độ Tị, T, Thôn2 thường nhiệt đỏ cùa một mối hàn được giữ khỏns đổi và biết trước gọi là nhiẽt đỏ chuẩn (T,=Trct) T,

là nhiệt độ của mối hàn thứ hai, khi đật trong mòi trường nghiên cứu nó sẽ đat giá trị T chưa biết Nhiệt độ T là hàm của nhiệt đỏ T, và của các quá trình trao đổi nhiệt (có thể xáv ra)

+ ư u điểm:

Việc sử dụng cặp nhiệt có nhiều Lợi thế Kích thước cúa cặp nhiệt nhò nên

có thê đo nhiệt độ ở từng điểm của đôi tượng nghiên cứu Mật khác cặp nhiệt

cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng điện chạy qua và do vậy

Nói chung mỗi loại cập nhiệt có một giới hạn cùa dải nhiêt độ làm việc cỡ

từ -27CTC đến 2700"C Như vậy cập nhiệt có dải nhiệt độ làm viêc rộng hơn nhiều so VỚI nhiệt kế điện trở

1.2,1 b Độ nhạy nhiệt

Độ nhạy nhiệt hay còn gọi là năng suất nhiêt - điện của cặp nhiêt điên ờ nhiệt độ T() được xác định bởi biểu thức :

( 1 2 2 )

Trong đó s là hàm của nhiệt độ và có đơn vị là |aV/ “C

1.2.2 Các hiệu ứng nhiệt điện

ỉ2 2 a Hiệu ứnẹ Peỉtier

Tại chỗ tiếp xúc cùa hai dây dẫn A và B khác nhau về bán chất nhưng cùng môt nhiệt độ tồn tai môt hiệu điện thế tiếp xúc (hình 1 5a) Hiệu điện thế này chi phu thuộc vào bán chất của vật dẫn và nhiệt độ:

Đây chính là suất điện động Peltier

Định luât Volta phát biểu như sau: ‘Trong một chuỗi cách nhiêt được cấu thành từ những vật dẫn khác nhau tổng suất điện động Peltier bằng không”

Thí du ta có một chuỗi 4 vật dẫn A, B, c, D mác nối tiếp {hình 1 5b) thì:

Nếu tổng (1 24) mà khác không thi sẽ có dòng điện chay trong mach và xảy ra sự tổn hao năng lượng do hiệu ứng Joule Điều này trái với định luật Carnot nói ràng một hệ ở cùng một nhiêt đô sẽ không thể tao ra nãng lượng Từ (1 24) ta có:

Vậy hai vật dẫn A và D được phân cách bằng các vật dẫn trung gian và toàn bộ hệ được cách nhiệt thì hiệu điện thế giữa hai vật dẫn A và D cũng bằng hiệu điện thế mà chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau.

1.2.2b Hiệu ứng Thomson

Trong một vật dẫn đổng nhất A, giữa hai đầu M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một suất điện động (hình 1 5 c) Suất điện động này chi phu thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiêt độ TM, TN của hai điểm M và N

Trong đó hA là hệ số Thomson Suất điện đồng Thomson là hàm cúa nhiội

độ Định luật Magnus phát biểu, nếu hai đầu ngoài của một mạch chi gổm một vât dẫn duy nhất và đổng chất được duy trì ở cùng mổt nhiệt độ thi suất diện động Thomson bằng không

1.2.2c Hiệu ứnq Seebeck.

Giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A, B và hai chvến tiếp của chúng được giữ ở nhiệt độ T, và T2 (hình 1 5d) khi đó mach sẽ tao thành môt cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện này sẽ gáy nên một suất điện động do kết quá tác động đổng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson Suất điện đông đó gọi là suất điện đông Seebeck Thật vậy, suất điện động giữa a và b, b và c, c và d, d và

a lần lượt là:

(1.26)T,

(1 27 )

15

Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng các suất điện động trên :

E í Ti = p í - p A\ + | f c - * By r (1.28)

T,

Nêu chọn Tị là nhiệt độ so sánh và lấy T]=0oc, khi đó đối với một cặp vật dan A

và B cho trước suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2

Hình ỉ 5: Các hiệu ứnạ nhiệt điện: a) Hiệu ứnẹ Peìtier, b) Định ỉitậr Yalta

c) Hiệu ứnẹ Thomson, d ) Hiệu ứnạ Seebeck

1.2.3 Phương p h á p c h ế tạo và sơ đố đo

12.3a C h ế tạo cặp nhiệt và vó bdo vệ

Trong khi chế tạo cặp nhiệt cần phải tránh tao ra những cặp nhiêt ký sinh

do gấp khúc dây, nhiễm bẩn hoá học, bức xạ hạt nhân Mối hàn cũng phai nhỏ tới mức tối đa bởi nếu vùng hàn có kích thước lớn thì giữa các điểm khác nhau có thể nhiêt đô sẽ khác nhau tạo ra suất điên động ký sinh

Có ba kỹ thuât chính thường đươc dùng đế hàn cặp nhiẽt

- Hàn thiếc khi nhiệt độ sử dụng khôno cao quá

- Hàn xì bàng đèn xì Axêtvlen

- Hàn bằng tia lứa điên

Để tránh mọi tiếp xúc ở vùng ngoài mối hàn, dây được đặt trong sứ cách điện (trở Lớn và trơ hoá học) Bên ngoài thêm một vỏ bọc kín để tăng đò bén hoá học, tránh không khí lọt qua và chống thăng giáng nhiệt độ đột ngột, v ỏ ngoài thường được làm băng sứ hoặc thép

1.2.3 b Sơ đồ đo

*Sơ đồ đo thông dụng

- Điểu kiện lắp ráp: từng đôi cùng nhiệt độ (các mối hàn A/M lvà B/Ml của cặp nhiệt; các mối hàn của các dây kim loại trung gian M1/M2 và M1/M3)

Hình 1 6 :Sơ đổ ì ắp ráp cặp nhiệt với thiết bi đo

Khi đó trong mach chi có suát điện đông Seebeck của cập nhiệt Thưc vậy, tổng suất điện động trong trường hợp này đươc viết dưới dạng biểu thức:

*Sơ đồ đo vi sai:

Sơ đồ này được áp dụng để đo hiệu nhiệt độ giữa hai điểm đặt ờ hai mõi hàn A/B của cặp nhiệt VỚI điều kiện là các môi hàn giông nhau đặt ở cùng nhiệt

độ (A /M |;Mj/M 2; M2/M 3) trong mạch sẽ xuất hiện suất điện động Seebeck E VB

Hình ỉ 7 :Sơ đồ vi sai đo sự khác nhau vé nhiệt độ

Nếu khoảng nhiệt độ từ Tcl đến Tc2 nhỏ năng suất nhiệt điện có thể coi là không đổi và ta có:

- Sử dung milivônkế có điện trở trong lớn để giám sụt thế trên dây dẫn

- Sử dụng phương pháp xung đối để dòng chav qua câp nhiệt bằng không

*Sơ đổ đo suất điện động của cặp nhiệt dùng milivônkế

Giả sử

-Rt là điện trở của cặp nhiệt

-R ị là điện trở dây nối

-Rv là điện trở của milivônkế

L/

i

U oI

Hình ỉ 8 Đo suất điện độnq của cặp nhiệt bàng milivôn kê

Khi đó điện áp giữa hai dầu của milivôn kế được biếu diễn bởi biếu thức:

Vì điện trở của cặp nhiệt và dây nối chưa biết nên để giám sai số người ta chọn sao cho:

* Sơ đồ đo suất điên động bằng phương pháp xung đối

19

Nguyên tắc của phương pháp xung đối là đấu với suất điên đòng cần đo một điện áp đối V sao cho giá trị của điện áp này đúng bằng giá trị của suất điện động Giá trị của V có thể đo được chính xác, thông thường nó là điện áp rơi trên một điện trở có dòng điện chạy qua Cạp nhiêt được mắc nối tiếp với môt điện ké

G và được đấu song song với một điện trở chuẩn Re Dòng điện I chạv qua điện trở Re có thế điều chỉnh được để sao cho kim điện kế chi sô 0 Ta có:

Dòng điện I có thể được điều chinh bằng một biến trở con chạv Rh (mác nỏí tiếp với nguồn điện) và đươc đo bằng một milivôn kế

1.3 Chuyên đổi nhiệt - điên bằng diode và transistor

1.3.1 Đặc điểm c h u n g và độ nhạy nhiệt

Có thế đo nhiệt độ bằng cách sử dụng linh kiện nhạy cam là diodc hoặc transistor mắc kiểu diode (nối B với C) phân cực thuân với I không đổi (hình 1.10) Điẽn áp siữa hai cực sẽ là hàm của nhiệt đô

(1 35)

Hình 1 9: Đo suất điện độn‘j bằnẹ phương pháp xunạ đỏi

Hình 1 10: Các linh kiện được sử dụng làm du no cụ chuyển đổi nhiệt - điện

a) diode; b) transistor mắc theo kiểu diode;

c) cặp transistor mắc theo kiểu diocle

Độ nhạy nhiệt của diode hoặc transistor mắc theo kiểu diode được xácđịnh bởi biểu thức: s = dV

Giá trị của độ nhạy nhiệt cỡ - 2, 5mV/"C Ngoài ra cung giống như đối với điện áp V, độ nhạy nhiệt có thê phu thuộc vào dòng ngược I, Dònsz này có the thay đổi rất khác nhau đối với các linh kiện khác nhau, do vậy nên chon các linh kiện có các đặc trưng tương tự (đốì với một giá trị dòng cho trước phái có cùng điện áp V và dòng I() như nhau), Để tăng độ tuvến tính và khá năng thay thế người ta thường mấc theo sơ đồ hình 1 10 c ) dùng một cặp transistor đáu theo kiểu diode mắc đối nhau với hai dòng I, và I2 không đổi chạy qua và đo hiệu điện thế B - E Bằng cách nàv sẽ loại trừ được ảnh hưởng của dòng ngược I , Đ ộ nhay nhiêt trong trường hợp này được tính theo công thức :

s

-c/T

(1 37)

21

1.3.2 Q uan hệ điện áp - nh iệt độ

Xét trường hợp dùng cặp transistor QiQ: ở hình 1 10c) Giá sứ dòng I,, giống nhau cho hai transistor, dòng điện chạy qua các transistorlà lị và I: , điên thê

Độ nhạy nhiệt nhỏ hơn khi chỉ dùng một diode hoặc một transistor, nhưng

về nguyên tắc nó không phu thuộc T Độ tuyến tính trong trường hợp này được cải thiện một cách đáng kế

23

CHƯ ƠNG 2 MỘT SỐ QUI LUẬT TRONG QUÁ TRÌNH BỨC XẠ NHIỆT

2 1 Một sô khái niệm và định nghĩa cơ bàn

2.1.1 D òng bức xạ là tổng năng lượng bức xạ từ bề mặt F của vật theo mọi

phương của khổng gian bán cầu và ở mọi bước sóng trong một đơn vị thời gian,

Q [w] Nếu bức xạ chỉ tính tương ứng với một khoáng rất hep của chiéu dài bước

sóng từ X đên Ằ+ dA thì bức xạ đó gọi là bức xạ đơn sác Q > Q)

2.1.2 M ật độ bức xạ bán cầu (E [w/m2 ]) là dòng bức xạ toàn phần ứng với một

đơn vị diện tích của bể mặt bức xạ

2.1.3 Cường độ bức xạ (I (ÀT) [w/m1 ] hay E> [w/m: Ị.O là mật độ bức xạ hán cầu ứng với một chiều dài bước sóng

Trị số của cường độ bức xạ thay đổi theo chiều dài bước sóng và phương bức xạ Đối với một vật xác định thì mật độ bức xạ bán cầu chi là một hàm cúa nhiệt độ và được tính theo cường độ bức xạ

2.1.4 Độ chói bức xạ (B(cp) [w/m2 sr] là dòng bức xạ truyền đi theo phương (p

ứng với một đơn vị góc khôi và ứng VỚI một đơn vị bé mặt thảng góc VỚI phương

+ Bức xạ bản thân hay bức xạ riêng (Q, E) là bức xạ của vât phát sinh do

sự thay đỏi trạng thái năng lượng của vật

+ Bức xạ hiệu dụng là tổng của bức xạ riêng và bức xạ tới (QR là một phần hoặc toàn bộ năng lượng của các vật xung quanh tác động tới vật)

+ Bức xạ hiệu quá là năng lượng bức xạ mà vật trao đổi với mỏi trườnịIg

25

2.2 Đạc tính bức xạ của vật đen tuyệt đỏi.

Đối với mọi vật, không phụ thuộc vào bản chất vật lý, hoá học cúa chúng, tồn tại một giá trị giới hạn trên của mât độ bức xạ Trị số này chi phu thuộc vào nhiệt độ Vật đen tuyệt đối là vật lý tưởng mà bề mặt của nó có khá nâng bức xạ đạt tới giá trị này Mặc dù trong thực tế không tồn tại vật đen tuyệt đối, nhung việc nghiên cứu bức xạ của nó có ý nghĩa rất quan trọng trong việc kháo sát và tính toán bức xạ của các vật thực, do vây trong tất cà các tính toán về bức xạ nhiệt người ta thường chọn vật đen tuyệt đối là cơ sở để thiết lập các định luật và phương trình tính toán

2.2.1 Đ ịnh lu ậ t P ỉank

Dựa trên lý thuyết lượng tử, năm 1900 Max Plank đã thiết lập mõi quan hệ giữa cường độ bức xạ của vật đen tuyệt đối VỚI nhịêt độ và chiều dài bước sóng Môi quan hệ này chính là nội dung của định luật Plank:

C j, C2 là những hàng số: C|=27ĩC()2h =3, 741832 10 Klw m2

C2=C0h/k = 1 ,438786 1 0 l2mK

Hình 2.1: Đ ồ thi định luật bức xạ Plank

Công thức (2 6) có thể được biếu diễn dưới dạng đồ thị (hình 2.2) Trên

đồ thị cường độ bức xạ được đặc trưng bàng những đường đảng nhiệt có điếm cực đại ứng với một trị sô' nào đấy Nhiệt độ bức xa càng tăng thì cường đô bức

2.2.3 Đ ịnh luật dịch chuyển W ien

Nhiệt độ càng tăng thì cường độ bức xạ càng lớn nhưng Âmjx càng bé Tri

số cúa Ầm;lxđược tính theo còng thức:

Giải phương trình này ta nhận được:

2.2.4 Đ inh luật S tefa n - B oltzm ann

Mật độ bức xa bán cầu của vật đen tuyệt đối được tính bằng cách thê (2.6) vào (2 2)

Như vậy tổng năng lượng bức xạ phát ra từ lrrr bé mặt của vật đen tuyệt đối, theo mọi phương của không gian bán cầu, trên mọi bước sóng và trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt đố tuyệt đối

Đâv cũng chính là biếu thức của định luật Stefan - Boltzmann Hệ số ơ„ trono (2 9) gọi là hằng sỏ' bức xạ cúa vật đen tuyệt đối và có giá trị hãng

Đật (C2/A.T) = x thì phương trình trẽn chuyển thành :

= 5 7 6 10 s lỉ

Kết quả đo đạc mới nhất của hệ số này là ơ(, =5, 6644 10'K (W/m2KJ

Để tiện tính toán (2 9) được viết dưới dạng:

.1 0 0,

Hệ số C() =5, 67 (W/m2K4) được gọi là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

2.2.5 Đ ịn h luật cosin của Lam bert

Bức xạ của một vật kể cả vật đen không chỉ phân bố không đều theo bước sóng mà còn phụ thuộc vào phương Tức là năng lượng bức xa theo các phương khác nhau thì khác nhau Năm 1760 khi nghiên cứu bức xạ từ bể mặt của vật theo những phương khác nhau, Lambert đả nhận thấy rằng :<< Đô chói hức xa (hoặc cường độ bức xạ góc) của vật đen tuyệt đối theo tất cá các phương bức xa là như nhau ^

hoặc đối với bức xạ đơn sác:

29

Hộ số tỉ lệ 71 trong biểu thức trên là đại lượng có thứ nguyên 7ĩ[s r ] Vì nãng suất bức xạ theo phương pháp tuyến chính bằng độ chói bức xa nên ta có thể viết:

Tức là năng suất bức xạ bán cầu cùa vât đen tuyệt đối lớn gáp 7T lần nâng suất bức xạ theo phương pháp tuyến của bề mặt vật bức xạ Tương tư với bức xa đơn sắc :

31

-Í.1 T Í f e Q i( ,T) I U t)

, ( T ) = ^ U

(2 19b)E0(T)

Nếu có một dòng năng lượng Qt giáng tới bề mặt vật thì mồt phần bị hủpthụ để biến thành nội năng Q A một phần bị phản xạ trở lại Q R và phần còn lạixuyên qua vật Q D :

Qt = Qa+ Q r + Q dChia hai vế cho Qt ta được :

Mối quan hệ giữa khá năng bức xạ và hấp thụ của vât được Kirchhoff phát biếu thành định luật như sau: “ơ điểu kiện cân bàng nhiệt động hệ số bức xạ và

hệ số hấp thụ có trị sô' bàng nhau”

Để chứng minh công thức (2 21) ta khảo sát quá trình trao đổi nhiêt irons môt hê đoan nhiêt (hình2 4)

R - l

Hình 2.4: H ệ đoạn nhiệt đ ể chứng mirth định luật K irchhoff

Hệ gồm hai vách phẳng có cùng nhiệt độ (một vật đen và một vật bất kỳ)

và hai mặt phẳng gương lý tưởng R = l ở điều kiên cân bàng nhiêt động, theo qui luật bảo toàn năng lượng, lượng nhiệt bức xạ phải bằng lượng nhiệt hấp thụ Đối với vật bất kỳ, do hệ đoạn nhiệt nên AE„ =E Măt khác theo (2.19b) thì: £

=E/E„ nên e =A, tức là định luật Kirchhoff đã được chứng minh Ớ điều kiện khống cân bàng, nhiệt độ của vật thu và vật phát bức xa khác nhau, Tp, thì A= f(Tt, Tp Ằ) do đó định luật Kirchhoff không còn đúng nữa Như vậy ớ nhiệt

độ đã cho, trong số những vật thực, vật nào có khả năng hấp thụ lớn thì vật đó cũng có khá năng bức xạ lớn và ngược lại

Từ các giá trị của hệ số A, D, R, s người ta phân biệt các loại vật sau:

- Vật đen (tuyệt đối): có khả năng bức xạ và hấp thụ lớn nhất

- Vật đục không cho bức xạ xuyên qua

có rất nhiều mô hình tính toán trao đổi nhiệt bức xạ dựa trên cơ sờ bức xạ xám

Bức xạ của các vật thực không tuân theo các định luật Plank, Lambert, Stefan-Boltzmann Ngoài ra hệ sô' bức xạ và hấp thu cúa chúng còn phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái của bề mặt vật Việc làm nhám, bẩn, sơn, phủ oxit lên bề mặt vật đểu có khả năng làm cho 8 và A tăng lên rất nhiều

Hình 2.5: Phán b ố c ườn q độ bức xạ theo bước sóntị 1: Bức xạ đen; 2: Bức xạ xám; 3: Bức xạ chọn lọc 2.3.2 B ức xạ của các bé m ặt vật rắn

Tuỳ thuộc vào loại vật liệu và trạng thái bề mặt mà các vật rắn có đãc trưng bức xạ rất khác nhau, nhưng về cơ bản có thể chia làm hai nhóm [ớn : Vật liệu dẫn điện và vật liệu không dẫn điện để khảo sát tính chất bức xạ cùa chúng

2.3.2.1 Vật dẫn điện

Theo định luật Lambert, năng suất bức xạ giảm dần từ giá trị ở phương pháp tuyến tới không ở phương bề mặt theo qui luât hàm cosin, hay độ lớn bức xa theo mọi phương là như nhau, nhưng độ chói bức xa của các bề măt kim loai tăngdần theo góc (p và đat tới giá trị cực đại ở góc cp tương đối lớn, sau đó giám rấtnhanh cho tới (p =90° Hình 2 6 biểu thị các đường cong độ chói bức xạ của các vật thực và các vật lý tường theo các phương bức xạ khác nhau Đồ thị thiết lập theo độ chói bức xạ tương đối: b((p )=B (tp )/B(|

35

Hình 2 6 : Độ chói hức xạ ỉ ươn V đối l :Vật đen; 2 :Vật xúm ;

3: Vật điện môi; 4: Kim loại.

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng định luật Lambert chỉ áp dụng đươc đối với kim loại khi góc cp < 40" Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa I và

X của bức xạ từ các bể mật kim loại không trơn, do đó cũng không thế tính bức

xạ bán cẩu theo công thức đơn giản như công thức cúa định luât Stefan - Boltzmann, v ề hình thức chỉ có thể sử dụng định luât này cho các vật dẫn điên bằng hai cách:

Nhiệt độ càng tăng n càng giảm và tiến dần tới 4 VI chỉ một lớp m ón2 sát

bề mật tham gia vào quá trình bức xạ và háp thụ, chiêu dày cúa lớp này ớ các vật