Termoelektromotorisk kraft (termo-EMF) og dens anvendelse i teknologi

Thermo-EMF er en elektromotorisk kraft, der opstår i et elektrisk kredsløb bestående af serieforbundne ujævne ledere.

Det enkleste kredsløb, der består af en leder 1 og to identiske ledere 2, hvor kontakter mellem hvilke holdes ved forskellige temperaturer T1 og T2, er vist på figuren.

På grund af temperaturforskellen ved enderne af ledning 1 viser den gennemsnitlige kinetiske energi af ladningsbærere nær det varme kryds sig at være større end nær den kolde. Bærere diffunderer fra en varm kontakt til en kold, og sidstnævnte får et potentiale, hvis fortegn bestemmes af bærernes fortegn. En lignende proces finder sted i grenene af den anden del af kæden. Forskellen mellem disse potentialer er termo-EMF.

Ved samme temperatur af metaltråde i kontakt i et lukket kredsløb, kontakt potentialforskel ved grænserne mellem dem, vil det ikke skabe nogen strøm i kredsløbet, men kun afbalancere de modsat rettede elektronstrømme.

Ved at beregne den algebraiske sum af de potentielle forskelle mellem kontakterne er det let at forstå, at det forsvinder. Derfor vil der i dette tilfælde ikke være nogen EMF i kredsløbet. Men hvad hvis kontakttemperaturerne er forskellige? Antag, at kontakterne C og D har forskellige temperaturer. Hvad så? Lad os først antage, at arbejdsfunktionen af ​​elektroner fra metal B er mindre end arbejdsfunktionen fra metal A.

Lad os se på denne situation. Lad os varmekontakt D - elektronerne fra metal B vil begynde at overføres til metal A, fordi kontaktpotentialforskellen ved kryds D vil stige på grund af varmeeffekten på det. Dette vil ske, fordi der er flere aktive elektroner i metal A nær kontakt D, og ​​nu vil de skynde sig til forbindelse B.

Den øgede koncentration af elektroner nær forbindelse C starter deres bevægelse gennem kontakt C, fra metal A til metal B. Her langs metal B vil elektronerne bevæge sig til kontakt D. Og hvis temperaturen af ​​forbindelse D fortsætter med at være forhøjet i forhold til kontakt C, så vil den retningsbestemte bevægelse af elektroner i dette lukkede kredsløb blive opretholdt mod uret - et billede af tilstedeværelsen af ​​en EMF vil fremkomme.

I et sådant lukket kredsløb, der er sammensat af forskellige metaller, kaldes EMF'en som følge af forskellen i kontakttemperaturer termo-EMF eller termoelektromotorisk kraft.

Thermo-EMF er direkte proportional med temperaturforskellen mellem de to kontakter og afhænger af typen af ​​metaller, der udgør kredsløbet. Den elektriske energi i et sådant kredsløb er faktisk afledt af den interne energi af varmekilden, som opretholder temperaturforskellen mellem kontakterne.Selvfølgelig er EMF opnået ved denne metode ekstremt lille, i metaller måles det i mikrovolt, det maksimale er i snesevis af mikrovolt, for en grad af forskel i kontakttemperaturer.

For halvledere viser termo-EMF sig at være mere, for dem når den dele af en volt pr. grad af temperaturforskel, da koncentrationen af ​​elektroner i selve halvlederne afhænger væsentligt af deres temperatur.

Til elektronisk temperaturmåling, brug termoelementer (termoelementer)arbejder efter princippet om termo-EMF måling. Et termoelement består af to forskellige metaller, hvis ender er loddet sammen. Ved at fastholde temperaturforskellen mellem de to kontakter (forbindelsen og de frie ender) måles termo-EMF De frie ender spiller her rollen som en anden kontakt. Enhedens målekredsløb er forbundet til enderne.

Forskellige metaller af termoelementer er valgt til forskellige temperaturområder og med deres hjælp måles temperaturen i videnskab og teknologi.

Ultra-præcision termometre er lavet på basis af termoelementer. Ved hjælp af termoelementer kan både meget lave og ret høje temperaturer måles med høj nøjagtighed. Ydermere afhænger målingens nøjagtighed i sidste ende af nøjagtigheden af ​​det voltmeter, der måler termo-EMF.

Figuren viser et termoelement med to junctions. Det ene kryds er nedsænket i den smeltende sne, og temperaturen i det andet kryds bestemmes ved hjælp af et voltmeter med en skala kalibreret i grader. For at øge følsomheden af ​​et sådant termometer er termoelementer nogle gange forbundet til et batteri. Selv meget svage strømme af strålingsenergi (f.eks. fra en fjern stjerne) kan måles på denne måde.

Til praktiske mål anvendes oftest jern-constantan, kobber-constantan, chromel-alumel osv. Hvad angår høje temperaturer, tyer de til dampe med platin og dets legeringer - til ildfaste materialer.

Anvendelsen af ​​termoelementer er bredt accepteret i automatiske temperaturstyringssystemer i mange moderne industrier, fordi termoelementsignalet er elektrisk og let kan fortolkes af elektronik, der justerer effekten af ​​en bestemt varmeenhed.

Den modsatte effekt af denne termoelektriske effekt (kaldet Seebeck-effekten), der består i at opvarme den ene af kontakterne, samtidig med at den anden afkøles, mens der føres en elektrisk jævnstrøm gennem kredsløbet, kaldes Peltier-effekten.

Begge effekter bruges i termoelektriske generatorer og termoelektriske køleskabe. For flere detaljer se her:Seebeck, Peltier og Thomson termoelektriske effekter og deres anvendelser