Siła termoelektromotoryczna (termo-EMF) i jej zastosowanie w technice
Termo-EMF to siła elektromotoryczna występująca w obwodzie elektrycznym składającym się z szeregowo połączonych nierównych przewodników.
Najprostszy obwód składający się z przewodnika 1 i dwóch identycznych przewodników 2, których styki są utrzymywane w różnych temperaturach T1 i T2, pokazano na rysunku.
Ze względu na różnicę temperatur na końcach drutu 1, średnia energia kinetyczna nośników ładunku w pobliżu złącza gorącego okazuje się większa niż w pobliżu złącza zimnego. Nośniki dyfundują od kontaktu gorącego do zimnego, a ten ostatni nabywa potencjał, którego znak jest określony przez znak nośników. Podobny proces zachodzi w gałęziach drugiej części łańcucha. Różnica między tymi potencjałami to termo-EMF.
Przy tej samej temperaturze metalowych drutów stykających się w obwodzie zamkniętym, stykowa różnica potencjałów na granicach między nimi nie wytworzy żadnego prądu w obwodzie, a jedynie zrównoważy przeciwnie skierowane przepływy elektronów.
Obliczając sumę algebraiczną różnic potencjałów między stykami, łatwo zrozumieć, że znika. Dlatego w tym przypadku w obwodzie nie będzie pola elektromagnetycznego. Ale co, jeśli temperatury kontaktu są różne? Załóżmy, że styki C i D mają różne temperatury. Co wtedy? Załóżmy najpierw, że praca wyjścia elektronów z metalu B jest mniejsza niż praca wyjścia z metalu A.
Przyjrzyjmy się tej sytuacji. Załóżmy kontakt cieplny D — elektrony z metalu B zaczną przenosić się do metalu A, ponieważ w rzeczywistości różnica potencjałów kontaktowych na złączu D wzrośnie z powodu wpływu ciepła na to. Stanie się tak, ponieważ w metalu A w pobliżu kontaktu D jest więcej aktywnych elektronów, które teraz będą biec do związku B.
Zwiększona koncentracja elektronów w pobliżu związku C inicjuje ich ruch przez kontakt C, z metalu A na metal B. Tutaj wzdłuż metalu B elektrony przesuną się do kontaktu D. A jeśli temperatura związku D będzie nadal podwyższona względem kontaktu C, to w tym obwodzie zamkniętym kierunkowy ruch elektronów będzie utrzymywany w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara — pojawi się obraz obecności pola elektromagnetycznego.
W takim zamkniętym obwodzie złożonym z różnych metali, pole elektromagnetyczne wynikające z różnicy temperatur kontaktu nazywa się termo-EMF lub siłą termoelektromotoryczną.
Termo-EMF jest wprost proporcjonalne do różnicy temperatur między dwoma stykami i zależy od rodzaju metali tworzących obwód. Energia elektryczna w takim obwodzie pochodzi w rzeczywistości z energii wewnętrznej źródła ciepła, które utrzymuje różnicę temperatur między stykami.Oczywiście EMF uzyskany tą metodą jest niezwykle mały, w metalach jest mierzony w mikrowoltach, maksimum wynosi w dziesiątkach mikrowoltów, dla jednego stopnia różnicy temperatur styku.
W przypadku półprzewodników termo-EMF okazuje się być większy, dla nich osiąga części wolta na stopień różnicy temperatur, ponieważ stężenie elektronów w samych półprzewodnikach znacznie zależy od ich temperatury.
Do elektronicznego pomiaru temperatury użyj termopary (termopary)działa na zasadzie pomiaru termo-EMF. Termopara składa się z dwóch różnych metali, których końce są ze sobą zlutowane. Utrzymując różnicę temperatur między dwoma stykami (złączem i wolnymi końcami) mierzony jest termo-EMF.Wolne końce pełnią tu rolę drugiego styku. Obwód pomiarowy urządzenia jest podłączony do końcówek.
Różne metale termopar są dobierane do różnych zakresów temperatur i za ich pomocą mierzy się temperaturę w nauce i technice.
Termometry ultraprecyzyjne zbudowane są na bazie termopar. Za pomocą termopar można z dużą dokładnością mierzyć zarówno bardzo niskie, jak i dość wysokie temperatury. Ponadto dokładność pomiaru ostatecznie zależy od dokładności woltomierza, który mierzy termo-EMF.
Rysunek przedstawia termoparę z dwoma złączami. Jedno złącze jest zanurzone w topniejącym śniegu, a temperaturę drugiego złącza określa się za pomocą woltomierza ze skalą wyskalowaną w stopniach. Aby zwiększyć czułość takiego termometru, czasami termopary są podłączone do baterii. W ten sposób można mierzyć nawet bardzo słabe strumienie energii promieniowania (np. z odległej gwiazdy).
Do praktycznych pomiarów najczęściej stosuje się żelazo-constantan, miedź-constantan, chromel-alumel itp. Jeśli chodzi o wysokie temperatury, uciekają się do oparów z platyną i jej stopami - do materiałów ogniotrwałych.
Zastosowanie termopar jest powszechnie akceptowane w zautomatyzowanych systemach kontroli temperatury w wielu nowoczesnych gałęziach przemysłu, ponieważ sygnał termopary ma charakter elektryczny i może być łatwo zinterpretowany przez elektronikę dostosowującą moc konkretnego urządzenia grzewczego.
Efekt odwrotny do tego efektu termoelektrycznego (zwany efektem Seebecka), polegający na nagrzewaniu jednego ze styków przy jednoczesnym chłodzeniu drugiego podczas przepuszczania przez obwód stałego prądu elektrycznego, nazywany jest efektem Peltiera.
Oba efekty są stosowane w generatorach termoelektrycznych i lodówkach termoelektrycznych.Więcej informacji można znaleźć tutaj:Efekty termoelektryczne Seebecka, Peltiera i Thomsona i ich zastosowania