Termoelektromotorisk kraft (termo-EMF) och dess tillämpning inom teknik

Thermo-EMF är en elektromotorisk kraft som uppstår i en elektrisk krets som består av seriekopplade ojämna ledare.

Den enklaste kretsen som består av en ledare 1 och två identiska ledare 2, vars kontakter mellan vilka hålls vid olika temperaturer T1 och T2, visas i figuren.

På grund av temperaturskillnaden vid ändarna av tråden 1 visar sig den genomsnittliga kinetiska energin för laddningsbärare nära den varma korsningen vara större än nära den kalla. Bärare diffunderar från en varm kontakt till en kall, och den senare får en potential vars tecken bestäms av bärarnas tecken. En liknande process äger rum i grenarna i den andra delen av kedjan. Skillnaden mellan dessa potentialer är termo-EMF.

Vid samma temperatur av metalltrådar i kontakt i en sluten krets, kontaktpotentialskillnad vid gränserna mellan dem kommer det inte att skapa någon ström i kretsen, utan bara balansera de motsatt riktade elektronflödena.

Genom att beräkna den algebraiska summan av potentialskillnaderna mellan kontakterna är det lätt att förstå att den försvinner. Därför kommer det i detta fall inte att finnas någon EMF i kretsen. Men vad händer om kontakttemperaturerna är olika? Antag att kontakterna C och D har olika temperaturer. Vad händer då? Låt oss först anta att arbetsfunktionen för elektroner från metall B är mindre än arbetsfunktionen från metall A.

Låt oss titta på den här situationen. Låt oss värmekontakta D — elektronerna från metall B kommer att börja överföras till metall A eftersom kontaktpotentialskillnaden i korsningen D kommer att öka på grund av värmeeffekten på den. Detta kommer att hända eftersom det finns fler aktiva elektroner i metall A nära kontakt D och nu kommer de att rusa till förening B.

Den ökade koncentrationen av elektroner nära förening C initierar deras rörelse genom kontakt C, från metall A till metall B. Här, längs metall B, kommer elektronerna att flytta till kontakt D. Och om temperaturen på förening D fortsätter att höjas i förhållande till kontakt C, då i denna slutna krets kommer elektronernas riktningsrörelse att upprätthållas moturs - en bild av närvaron av en EMF kommer att visas.

I en sådan sluten krets som består av olika metaller kallas EMF som är ett resultat av skillnaden i kontakttemperaturer termo-EMF eller termoelektromotorisk kraft.

Thermo-EMF är direkt proportionell mot temperaturskillnaden mellan de två kontakterna och beror på vilken typ av metall som utgör kretsen. Den elektriska energin i en sådan krets härleds faktiskt från värmekällans inre energi som upprätthåller temperaturskillnaden mellan kontakterna.Naturligtvis är EMF som erhålls med denna metod extremt liten, i metaller mäts den i mikrovolt, maximinivån är i tiotals mikrovolt, för en grads skillnad i kontakttemperaturer.

För halvledare visar sig termo-EMF vara mer, för dem når den delar av en volt per grad av temperaturskillnad, eftersom koncentrationen av elektroner i halvledarna själva avsevärt beror på deras temperatur.

För elektronisk temperaturmätning, använd termoelement (termoelement)arbetar efter principen om termo-EMF-mätning. Ett termoelement består av två olika metaller vars ändar är sammanlödda. Genom att upprätthålla temperaturskillnaden mellan de två kontakterna (övergången och de fria ändarna) mäts termo-EMF.De fria ändarna spelar här rollen som en andra kontakt. Anordningens mätkrets är ansluten till ändarna.

Olika metaller av termoelement väljs för olika temperaturområden och med deras hjälp mäts temperaturen inom vetenskap och teknik.

Ultraprecisionstermometrar är gjorda på basis av termoelement. Med hjälp av termoelement kan både mycket låga och ganska höga temperaturer mätas med hög noggrannhet. Dessutom beror noggrannheten i mätningen i slutändan på noggrannheten hos voltmetern som mäter termo-EMF.

Figuren visar ett termoelement med två kopplingar. En korsning är nedsänkt i den smältande snön, och temperaturen på den andra korsningen bestäms med hjälp av en voltmeter med en skala kalibrerad i grader. För att öka känsligheten hos en sådan termometer ansluts ibland termoelement till ett batteri. Även mycket svaga flöden av strålningsenergi (t.ex. från en avlägsen stjärna) kan mätas på detta sätt.

För praktiska mätningar används oftast järn-konstantan, koppar-konstantan, krom-alumel etc. När det gäller höga temperaturer tillgriper de ångor med platina och dess legeringar - till eldfasta material.

Tillämpningen av termoelement är allmänt accepterad i automatiserade temperaturkontrollsystem i många moderna industrier eftersom termoelementets signal är elektrisk och lätt kan tolkas av elektronik som justerar effekten av en viss värmeenhet.

Den motsatta effekten till denna termoelektriska effekt (kallad Seebeck-effekt), som består i att värma upp en av kontakterna samtidigt som den andra kyls samtidigt som en elektrisk likström passerar genom kretsen, kallas Peltier-effekten.

Båda effekterna används i termoelektriska generatorer och termoelektriska kylskåp. För mer information se här:Seebeck, Peltier och Thomson termoelektriska effekter och deras tillämpningar