Termoelektromotorna sila (termo-EMS) i njezina primjena u tehnici

Termo-EMF je elektromotorna sila koja se javlja u električnom krugu koji se sastoji od serijski spojenih neravnih vodiča.

Najjednostavniji krug koji se sastoji od vodiča 1 i dva identična vodiča 2, čiji se kontakti održavaju na različitim temperaturama T1 i T2, prikazan je na slici.

Zbog temperaturne razlike na krajevima žice 1, prosječna kinetička energija nositelja naboja u blizini vrućeg spoja ispada da je veća nego u blizini hladnog. Nosioci difundiraju od vrućeg kontakta do hladnog, a ovaj poprima potencijal čiji je predznak određen predznakom nositelja. Sličan proces odvija se i u granama drugog dijela lanca. Razlika između ovih potencijala je termo-EMF.

Pri istoj temperaturi metalnih žica u kontaktu u zatvorenom krugu, kontaktna razlika potencijala na granicama između njih neće stvoriti nikakvu struju u krugu, već samo uravnotežiti suprotno usmjerene tokove elektrona.

Izračunavanjem algebarskog zbroja potencijalnih razlika između kontakata, lako je razumjeti da on nestaje. Stoga u ovom slučaju u krugu neće biti EMF-a. Ali što ako su kontaktne temperature različite? Pretpostavimo da su kontakti C i D na različitim temperaturama. Što onda? Pretpostavimo najprije da je izlazni rad elektrona iz metala B manji od izlaznog rada iz metala A.

Pogledajmo ovu situaciju. Zagrijmo kontakt D — elektroni s metala B počet će se prenositi na metal A jer će zapravo kontaktna razlika potencijala na spoju D porasti zbog utjecaja topline na njega. To će se dogoditi jer postoji više aktivnih elektrona u metalu A u blizini kontakta D i sada će pojuriti na spoj B.

Povećana koncentracija elektrona u blizini spoja C pokreće njihovo kretanje kroz kontakt C, od metala A do metala B. Ovdje, duž metala B, elektroni će se kretati do kontakta D. A ako temperatura spoja D nastavi biti povišena u odnosu na kontakt C, tada će se u ovom zatvorenom krugu usmjereno kretanje elektrona održavati suprotno od kazaljke na satu - pojavit će se slika prisutnosti EMF-a.

U takvom zatvorenom krugu sastavljenom od različitih metala, EMF koji proizlazi iz razlike u kontaktnim temperaturama naziva se termo-EMF ili termoelektromotorna sila.

Termo-EMF izravno je proporcionalan razlici temperature između dva kontakta i ovisi o vrsti metala koji čine krug. Električna energija u takvom krugu zapravo proizlazi iz unutarnje energije izvora topline koji održava temperaturnu razliku između kontakata.Naravno, EMF dobiven ovom metodom je izuzetno mali, kod metala se mjeri u mikrovoltima, maksimum je u desecima mikrovolti, za jedan stupanj razlike kontaktnih temperatura.

Za poluvodiče se pokazuje da je termo-EMF veći, za njih doseže dijelove volta po stupnju temperaturne razlike, budući da koncentracija elektrona u samim poluvodičima značajno ovisi o njihovoj temperaturi.

Za elektroničko mjerenje temperature koristite termoparovi (termoparovi)radi na principu mjerenja termo-EMF. Termopar se sastoji od dva različita metala čiji su krajevi zalemljeni zajedno. Održavanjem temperaturne razlike između dva kontakta (spoj i slobodni krajevi) mjeri se termo-EMF.Slobodni krajevi ovdje igraju ulogu drugog kontakta. Mjerni krug uređaja spojen je na krajeve.

Za različita temperaturna područja biraju se različiti metali termoparova i pomoću njih se mjeri temperatura u znanosti i tehnologiji.

Ultraprecizni termometri izrađuju se na bazi termoparova. Uz pomoć termoparova, vrlo niske i vrlo visoke temperature mogu se mjeriti s velikom točnošću. Nadalje, točnost mjerenja u konačnici ovisi o točnosti voltmetra koji mjeri termo-EMF.

Slika prikazuje termoelement s dva spoja. Jedan spoj je uronjen u snijeg koji se otapa, a temperatura drugog spoja se određuje pomoću voltmetra sa skalom kalibriranom u stupnjevima. Da bi se povećala osjetljivost takvog termometra, ponekad su termoelementi spojeni na bateriju. Čak se i vrlo slabi tokovi energije zračenja (npr. od daleke zvijezde) mogu mjeriti na ovaj način.

Za praktična mjerenja najčešće se koriste željezo-konstantan, bakar-konstantan, kromel-alumel itd. Što se tiče visokih temperatura, pribjegavaju se parama s platinom i njezinim legurama - do vatrostalnih materijala.

Primjena termoparova široko je prihvaćena u sustavima automatizirane kontrole temperature u mnogim suvremenim industrijama jer je signal termopara električni i može ga lako protumačiti elektronika koja prilagođava snagu određenog uređaja za grijanje.

Učinak suprotan ovom termoelektričnom učinku (nazvanom Seebeckov učinak), koji se sastoji u zagrijavanju jednog od kontakata dok istovremeno hladi drugi dok prolazi istosmjerna električna struja kroz krug, naziva se Peltierov učinak.

Oba efekta koriste se u termoelektričnim generatorima i termoelektričnim hladnjacima. Za više detalja pogledajte ovdje:Seebeckov, Peltierov i Thomsonov termoelektrični efekt i njihova primjena