Как устроен термометр

Существует несколько видов термометров, среди которых наиболее массово используются жидкостные (в том числе, и традиционные ртутные), механические, электрические. Также все большую популярность приобретают инфракрасные термометры. Как же работают эти термометры?

Жидкостный термометр.

Впервые термометр, каким мы привыкли его видеть, сделал Габриель Фаренгейт в 1717 г., и в этом виде термометр дошел до наших дней. Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объема жидкости при нагревании или охлаждении.

Температурная шкала

Создав свой первый термометр, Габриель Даниель Фаренгейт проградуировал его, приняв за отметку в 0 градусов температуру замерзания смеси из воды, морской соли и нашатырного спирта, а отметкой в 100 градусов он обозначил температуру человеческого тела. Эта шкала оказалась не очень удобной для использования, и в дальнейшем он ее поменял, установив температуру таяния льда в 32 градуса, а температуру тела в 96 градусов (чтобы разница была в 64 градуса - так проще было наносить шкалу прибора методом деления пополам). В дальнейшем он еще раз поменял калибровку, приняв за 212 градусов температуру кипения воды. Таким образом, создал шкалу Фаренгейта, которая до сих пор используется в США.

Приблизительно в то же время, в 1742 году шведский физик Андерс Цельсий разработал конкурирующую шкалу. Он принял за ноль температуру кипения воды, а за 100 градусов температуру замерзания, правда, вскоре поменял их местами. Шкала Цельсия используется повсеместно, за исключением США.

Обе шкалы совпадают только в одной точке: -40°. Чтобы из температуры в Фаренгейтах получить температуру в Цельсиях, нужно отнять 32, а результат умножить на 5/9. И наоборот, чтобы из Цельсиев получить Фаренгейтов, нужно умножить на 9/5 и прибавить 32.

Простейший термометр можно сделать самому — для этого потребуется стеклянная банка, крышка для банки, коктейльная соломинка, а также пластилин или жевательная резинка. Наберите полную банку воды, закройте крышкой. В крышке нужно проделать небольшое отверстие (под диаметр соломинки) и вставить соломинку в него, загерметизировав пластилином. Теперь можно нагреть воду в банке и заметить, как вода поднимается вверх по соломинке. При нагреве с 5°C до 25°C трех литров воды потребуется дополнительно 3 мл, что для соломинки диаметром 5 мм составит чуть больше 15 сантиметров.

Построенный термометр будет иметь определенные недостатки. Во-первых, он будет очень объемным, во-вторых, им нельзя будет измерять температуру ниже 0 и выше 100 градусов по Цельсию. В третьих, так как соломинка не закрыта, то вода будет постепенно загрязняться и высыхать. Наконец, в четвертых, такой термометр из-за большого объема воды будет очень долго реагировать на изменения температуры.

Эти проблемы частично решаются использованием ртути или спиртовой смеси вместо воды (правда, в связи с запретом на использование ртути во многих областях деятельности, ртутные термометры используются все меньше), а также уменьшением и запаиванием колбы. Но даже в таком случае на измерение температуры может потребоваться несколько минут.

Механический термометр

Механические термометры основаны на том же физическом принципе, что и жидкостные, только в них используются две металлические ленты с различными свойствами. При нагревании или охлаждении ленты из-за разнородности по-разному расширяются и сокращаются. Если у таких двух лент скрепить концы, то получится биметаллическая лента, которая при нагреве и охлаждении будет изгибаться в одну или другую сторону. Взяв длинную биметаллическую ленту, завитую в спираль, и, закрепив внутренний конец, а к внешнему прикрепив стрелку, мы получим механический термометр. Также на основе биметаллической ленты делают механические температурные датчики, которые используются в технике, например, для работы тостера

Электрический термометр

В электрических термометрах, в зависимости от их предназначения, используются термисторы и термопары, а также металлические термометры сопротивления.

Термистор (его еще называют терморезистор) - это полупроводник, у которого при нагревании уменьшается электрическое сопротивление, а зависимость от температуры почти линейная. Зная базовое сопротивление, и как оно изменяется, мы всегда можем измерить текущую температуру. Термисторы отличают стабильность характеристик, простота устройства, способность работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках.

Термопара — это два проводника из различных материалов, соединенных на одном конце. При нагреве места контакта на других концах проводников возникает напряжение, зависящее от температуры. Термопары отличают простота, надежность, высокая точность измерения, дешевизна.

Металлический термометр сопротивления — это резистор, сделанный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость сопротивления от температуры (только, в отличии от термисторов, при увеличении температуры сопротивление растет, а не падает). Преимущество таких термометров — высокая точность (до 0,00013°C). Недостатки — более дорогие, чем термопары и термисторы, и меньший диапазон измерения.

Инфракрасный термометр

Барабанная перепонка является одним из самых точных мест для измерения температуры тела, так как находится внутри головы. Но она также очень чувствительная и хрупкая, вам не захочется трогать ее термометром. Поэтому для измерения температуры барабанной перепонки нужно что-то дистанционное. Как и все тела с положительной температурой, барабанная перепонка излучает энергию в инфра-красном диапазоне, и эта энергия может быть измерена. Для измерения используется термоэлемент, состоящий из массива последовательно подключенных термопар (см. электрический термометр). Такой массив может улавливать очень небольшие изменения в излучении и реагировать на это изменением напряжения, которое можно измерить и отобразить на экране. Такой тип термометров также часто называют лазерным - лазером подсвечивается участок, в котором производится измерение.