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

Thermo-EMF er en elektromotorisk kraft som oppstår i en elektrisk krets som består av seriekoblede ujevne ledere.

Den enkleste kretsen som består av en leder 1 og to identiske ledere 2, hvor kontaktene mellom disse holdes ved forskjellige temperaturer T1 og T2, er vist i figuren.

På grunn av temperaturforskjellen ved endene av ledningen 1, viser den gjennomsnittlige kinetiske energien til ladningsbærere nær det varme krysset seg å være større enn nær det kalde. Bærere diffunderer fra en varm kontakt til en kald, og sistnevnte får et potensial hvis fortegn bestemmes av bærernes fortegn. En lignende prosess finner sted i grenene til den andre delen av kjeden. Forskjellen mellom disse potensialene er termo-EMF.

Ved samme temperatur på metalltråder i kontakt i en lukket krets, kontaktpotensialforskjell ved grensene mellom dem vil det ikke skape noen strøm i kretsen, men bare balansere de motsatt rettede elektronstrømmene.

Ved å beregne den algebraiske summen av potensielle forskjeller mellom kontaktene, er det lett å forstå at den forsvinner. Derfor vil det i dette tilfellet ikke være noen EMF i kretsen. Men hva om kontakttemperaturene er forskjellige? Anta at kontaktene C og D har forskjellige temperaturer. Hva da? La oss først anta at arbeidsfunksjonen til elektroner fra metall B er mindre enn arbeidsfunksjonen fra metall A.

La oss se på denne situasjonen. La oss varmekontakt D - elektronene fra metall B vil begynne å overføres til metall A fordi faktisk kontaktpotensialforskjellen ved kryss D vil øke på grunn av varmeeffekten på det. Dette vil skje fordi det er flere aktive elektroner i metall A nær kontakt D, og ​​nå vil de skynde seg til forbindelse B.

Den økte konsentrasjonen av elektroner nær forbindelse C initierer deres bevegelse gjennom kontakt C, fra metall A til metall B. Her, langs metall B, vil elektronene bevege seg til kontakt D. Og hvis temperaturen til forbindelse D fortsetter å bli forhøyet i forhold til kontakt C, så i denne lukkede kretsen vil retningsbevegelsen til elektroner opprettholdes mot klokken - et bilde av tilstedeværelsen av en EMF vil vises.

I en slik lukket krets som består av forskjellige metaller, kalles EMF som følge av forskjellen i kontakttemperaturer termo-EMF eller termoelektromotorisk kraft.

Thermo-EMF er direkte proporsjonal med temperaturforskjellen mellom de to kontaktene og avhenger av typen metaller som utgjør kretsen. Den elektriske energien i en slik krets er faktisk utledet fra den interne energien til varmekilden som opprettholder temperaturforskjellen mellom kontaktene.Selvfølgelig er EMF oppnådd ved denne metoden ekstremt liten, i metaller måles den i mikrovolt, maksimum er i titalls mikrovolt, for en grad av forskjell i kontakttemperaturer.

For halvledere viser termo-EMF seg å være mer, for dem når den deler av en volt per grad av temperaturforskjell, siden konsentrasjonen av elektroner i selve halvlederne avhenger betydelig av temperaturen deres.

For elektronisk temperaturmåling, bruk termoelementer (termoelementer)arbeider etter prinsippet om termo-EMF-måling. Et termoelement består av to forskjellige metaller hvis ender er loddet sammen. Ved å opprettholde temperaturforskjellen mellom de to kontaktene (krysset og de frie endene) måles termo-EMF De frie endene spiller her rollen som en andre kontakt. Målekretsen til enheten er koblet til endene.

Ulike metaller av termoelementer er valgt for forskjellige temperaturområder og med deres hjelp måles temperaturen i vitenskap og teknologi.

Ultrapresisjonstermometre er laget på basis av termoelementer. Ved hjelp av termoelementer kan både svært lave og ganske høye temperaturer måles med høy nøyaktighet. Videre avhenger nøyaktigheten av målingen til syvende og sist av nøyaktigheten til voltmeteret som måler termo-EMF.

Figuren viser et termoelement med to koblinger. Det ene krysset er nedsenket i den smeltende snøen, og temperaturen i det andre krysset bestemmes ved hjelp av et voltmeter med en skala kalibrert i grader. For å øke følsomheten til et slikt termometer, kobles noen ganger termoelementer til et batteri. Selv svært svake flukser av strålingsenergi (f.eks. fra en fjern stjerne) kan måles på denne måten.

For praktiske mål brukes oftest jern-konstantan, kobber-konstantan, krom-alumel, etc.. Når det gjelder høye temperaturer, tyr de til damper med platina og dets legeringer - til ildfaste materialer.

Anvendelsen av termoelementer er allment akseptert i automatiserte temperaturkontrollsystemer i mange moderne industrier fordi termoelementsignalet er elektrisk og lett kan tolkes av elektronikk som justerer kraften til en bestemt varmeenhet.

Den motsatte effekten av denne termoelektriske effekten (kalt Seebeck-effekten), som består i å varme opp den ene kontakten mens den samtidig avkjøles mens den passerer en elektrisk likestrøm gjennom kretsen, kalles Peltier-effekten.

Begge effektene brukes i termoelektriske generatorer og termoelektriske kjøleskap. For mer detaljer se her:Seebeck, Peltier og Thomson termoelektriske effekter og deres anvendelser