Forța termoelectromotoare (termo-EMF) și aplicarea acesteia în tehnologie

Thermo-EMF este o forță electromotoare care apare într-un circuit electric format din conductori neuniformi conectați în serie.

Cel mai simplu circuit format dintr-un conductor 1 și doi conductori identici 2, contactele între care sunt menținute la temperaturi diferite T1 și T2, este prezentat în figură.

Datorită diferenței de temperatură la capetele firului 1, energia cinetică medie a purtătorilor de sarcină din apropierea joncțiunii fierbinți se dovedește a fi mai mare decât în ​​apropierea celei reci. Purtătorii difuzează de la un contact cald la unul rece, iar acesta din urmă capătă un potențial al cărui semn este determinat de semnul purtătorilor. Un proces similar are loc în ramurile celei de-a doua părți a lanțului. Diferența dintre aceste potențiale este termo-EMF.

La aceeași temperatură a firelor metalice în contact într-un circuit închis, diferența de potențial de contact la granițele dintre ele, nu va crea niciun curent în circuit, ci doar echilibrează fluxurile de electroni direcționate opus.

Calculând suma algebrică a diferențelor de potențial dintre contacte, este ușor de înțeles că dispare. Prin urmare, în acest caz nu va exista EMF în circuit. Dar dacă temperaturile de contact sunt diferite? Să presupunem că contactele C și D sunt la temperaturi diferite. Ce atunci? Să presupunem mai întâi că funcția de lucru a electronilor din metalul B este mai mică decât funcția de lucru din metalul A.

Să ne uităm la această situație. Să încălzim contactul D - electronii din metalul B vor începe să se transfere în metalul A, deoarece de fapt diferența de potențial de contact la joncțiunea D va crește datorită efectului de căldură asupra acestuia. Acest lucru se va întâmpla deoarece există mai mulți electroni activi în metalul A lângă contactul D și acum se vor grăbi către compusul B.

Concentrația crescută de electroni în apropierea compusului C inițiază mișcarea acestora prin contactul C, de la metalul A la metalul B. Aici, de-a lungul metalului B, electronii se vor deplasa la contactul D. Și dacă temperatura compusului D continuă să fie ridicată în raport cu contactul C, atunci în acest circuit închis mișcarea direcțională a electronilor va fi menținută în sens invers acelor de ceasornic - va apărea o imagine a prezenței unui EMF.

Într-un astfel de circuit închis compus din metale diferite, EMF rezultat din diferența de temperaturi de contact se numește termo-EMF sau forță termoelectromotoare.

Termo-EMF este direct proportional cu diferenta de temperatura dintre cele doua contacte si depinde de tipul de metale care alcatuiesc circuitul. Energia electrică dintr-un astfel de circuit este de fapt derivată din energia internă a sursei de căldură care menține diferența de temperatură între contacte.Desigur, EMF obținut prin această metodă este extrem de mic, în metale se măsoară în microvolți, maximul este în zeci de microvolți, pentru un grad de diferență a temperaturilor de contact.

Pentru semiconductori, termo-EMF se dovedește a fi mai mult, pentru ei atinge părți dintr-un volt pe grad de diferență de temperatură, deoarece concentrația de electroni în semiconductori depinde în mod semnificativ de temperatura lor.

Pentru măsurarea electronică a temperaturii, utilizați termocupluri (termocupluri)lucrând pe principiul măsurării termo-EMF. Un termocuplu este format din două metale diferite ale căror capete sunt lipite împreună. Menținând diferența de temperatură între cele două contacte (joncțiunea și capetele libere), se măsoară termo-EMF.Capetele libere joacă aici rolul unui al doilea contact. Circuitul de măsurare al dispozitivului este conectat la capete.

Diferite metale ale termocuplurilor sunt alese pentru diferite intervale de temperatură și cu ajutorul lor temperatura este măsurată în știință și tehnologie.

Termometrele de ultraprecizie sunt realizate pe baza de termocupluri. Cu ajutorul termocuplurilor, atât temperaturile foarte scăzute, cât și cele destul de ridicate pot fi măsurate cu mare precizie. În plus, precizia măsurării depinde în cele din urmă de precizia voltmetrului care măsoară termo-EMF.

Figura prezintă un termocuplu cu două joncțiuni. O joncțiune este scufundată în zăpada care se topește, iar temperatura celeilalte joncțiuni este determinată cu ajutorul unui voltmetru cu o scară calibrată în grade. Pentru a crește sensibilitatea unui astfel de termometru, uneori termocuplurile sunt conectate la o baterie. Chiar și fluxurile foarte slabe de energie radiantă (de exemplu, de la o stea îndepărtată) pot fi măsurate în acest fel.

Pentru măsurători practice se folosesc cel mai des fier-constantan, cupru-constantan, cromel-alumel etc. În ceea ce privește temperaturile ridicate, ele recurg la vapori cu platină și aliajele sale - la materiale refractare.

Aplicarea termocuplurilor este larg acceptată în sistemele automate de control al temperaturii în multe industrii moderne, deoarece semnalul termocuplului este electric și poate fi ușor interpretat de electronice care reglează puterea unui anumit dispozitiv de încălzire.

Efectul opus acestui efect termoelectric (numit efect Seebeck), constând în încălzirea unuia dintre contacte și în același timp răcirea celuilalt în timp ce trece un curent electric continuu prin circuit, se numește efect Peltier.

Ambele efecte sunt folosite in generatoarele termoelectrice si frigiderele termoelectrice.Pentru mai multe detalii vezi aici:Efectele termoelectrice Seebeck, Peltier și Thomson și aplicațiile acestora