Termoelektromotorna sila (termo-EMF) in njena uporaba v tehniki

Termo-EMF je elektromotorna sila, ki se pojavi v električnem tokokrogu, sestavljenem iz zaporedno povezanih neravnih vodnikov.

Najenostavnejše vezje, sestavljeno iz vodnika 1 in dveh enakih vodnikov 2, katerih stiki se vzdržujejo pri različnih temperaturah T1 in T2, je prikazano na sliki.

Zaradi temperaturne razlike na koncih žice 1 se izkaže, da je povprečna kinetična energija nosilcev naboja v bližini vročega spoja večja kot v bližini hladnega. Nosilci difundirajo od vročega kontakta do hladnega, slednji pa pridobi potencial, katerega predznak je določen z predznakom nosilcev. Podoben proces poteka v vejah drugega dela verige. Razlika med temi potenciali je termo-EMF.

Pri isti temperaturi kovinskih žic v stiku v zaprtem krogu, kontaktna potencialna razlika na mejah med njimi ne bo ustvaril nobenega toka v tokokrogu, ampak le uravnotežil nasprotno usmerjene tokove elektronov.

Če izračunamo algebraično vsoto potencialnih razlik med kontakti, je enostavno razumeti, da izgine. Zato v tem primeru v vezju ne bo EMF. Kaj pa, če so kontaktne temperature različne? Predpostavimo, da sta kontakta C in D pri različnih temperaturah. Kaj potem? Najprej predpostavimo, da je delovna funkcija elektronov iz kovine B manjša od delovne funkcije iz kovine A.

Poglejmo to situacijo. Segrejmo kontakt D — elektroni iz kovine B se bodo začeli prenašati na kovino A, ker se bo zaradi toplotnega učinka na stičišču D dejansko povečala kontaktna potencialna razlika. To se bo zgodilo, ker je v kovini A blizu kontakta D več aktivnih elektronov in zdaj bodo hiteli k spojini B.

Povečana koncentracija elektronov v bližini spojine C sproži njihovo gibanje skozi stik C, od kovine A do kovine B. Tukaj, vzdolž kovine B, se bodo elektroni premaknili do stika D. In če bo temperatura spojine D še naprej povišana glede na kontakt C, potem se bo v tem zaprtem krogu ohranilo smerno gibanje elektronov v nasprotni smeri urinega kazalca - pojavila se bo slika prisotnosti EMF.

V takem zaprtem krogu, sestavljenem iz različnih kovin, se EMF, ki izhaja iz razlike v kontaktnih temperaturah, imenuje termo-EMF ali termoelektromotorna sila.

Termo-EMF je neposredno sorazmeren temperaturni razliki med obema kontaktoma in je odvisen od vrste kovin, ki sestavljajo vezje. Električna energija v takem tokokrogu pravzaprav izhaja iz notranje energije vira toplote, ki vzdržuje temperaturno razliko med kontakti.Seveda je EMF, dobljen s to metodo, izredno majhen, pri kovinah se meri v mikrovoltih, največ je v desetinah mikrovoltov, za eno stopinjo razlike kontaktnih temperatur.

Pri polprevodnikih se izkaže, da je termo-EMF večji, pri njih doseže dele volta na stopinjo temperaturne razlike, saj je koncentracija elektronov v samih polprevodnikih bistveno odvisna od njihove temperature.

Za elektronsko merjenje temperature uporabite termočleni (termočleni)deluje na principu merjenja termo-EMF. Termočlen je sestavljen iz dveh različnih kovin, katerih konca sta spajkana skupaj. Z vzdrževanjem temperaturne razlike med obema kontaktoma (stičiščem in prostimi konci) se meri termo-EMF, prosti konci pa tukaj igrajo vlogo drugega kontakta. Merilno vezje naprave je priključeno na konce.

Različne kovine termočlenov so izbrane za različna temperaturna območja in z njihovo pomočjo se meri temperatura v znanosti in tehnologiji.

Ultraprecizni termometri so narejeni na osnovi termočlenov. S pomočjo termočlenov je mogoče z visoko natančnostjo izmeriti tako zelo nizke kot precej visoke temperature. Poleg tega je natančnost meritve v končni fazi odvisna od natančnosti voltmetra, ki meri termo-EMF.

Slika prikazuje termočlen z dvema spojema. En spoj potopimo v taleči se sneg, temperaturo drugega spoja pa določimo z voltmetrom s skalo, umerjeno v stopinjah. Da bi povečali občutljivost takega termometra, so včasih termoelementi povezani z baterijo. Na ta način je mogoče izmeriti celo zelo šibke tokove sevalne energije (npr. od oddaljene zvezde).

Za praktične meritve se najpogosteje uporabljajo železo-konstantan, baker-konstantan, kromel-alumel itd. Kar se tiče visokih temperatur, se zatekajo k hlapom s platino in njenimi zlitinami - do ognjevzdržnih materialov.

Uporaba termočlenov je splošno sprejeta v avtomatskih sistemih za nadzor temperature v mnogih sodobnih industrijah, ker je signal termoelementa električen in ga lahko enostavno interpretira elektronika, ki prilagaja moč določene grelne naprave.

Učinek, nasproten temu termoelektričnemu učinku (imenovanem Seebeckov učinek), ki sestoji iz segrevanja enega od kontaktov, hkrati pa ohlaja drugega ob prehajanju enosmernega električnega toka skozi vezje, se imenuje Peltierjev učinek.

Oba učinka se uporabljata v termoelektričnih generatorjih in termoelektričnih hladilnikih. Za več podrobnosti glej tukaj:Seebeckov, Peltierjev in Thomsonov termoelektrični učinek in njihova uporaba