Термоелектромоторна сила (термо-ЕМП) и нейното приложение в технологията

Thermo-EMF е електромоторна сила, възникваща в електрическа верига, състояща се от последователно свързани неравномерни проводници.

Най -простата верига, състояща се от проводник 1 и два идентични проводника 2, контактите между които се поддържат при различни температури Т1 и Т2, е показана на фигурата.

Поради температурната разлика в краищата на проводник 1, средната кинетична енергия на носителите на заряд в близост до горещото кръстовище се оказва по -голяма, отколкото в близост до студения. Носителите се дифузират от горещ контакт към студен и последният придобива потенциал, чийто знак се определя от знака на носителите. Подобен процес протича и в клоните на втората част на веригата. Разликата между тези потенциали е термо-ЕМП.

При същата температура на метални проводници в контакт в затворена верига, разлика в потенциала за контакт на границите между тях, той няма да създава никакъв ток във веригата, а само ще балансира противоположно насочените потоци от електрони.

Изчислявайки алгебричната сума на потенциалните разлики между контактите, е лесно да се разбере, че тя изчезва. Следователно в този случай няма да има ЕМП във веригата. Но какво ще стане, ако температурите на контактите са различни? Да приемем, че контактите C и D са при различни температури. Какво тогава? Нека първо да приемем, че работната функция на електроните от метал В е по -малка от работната функция от метал А.

Нека разгледаме тази ситуация. Нека затоплим контакт D — електроните от метал B ще започнат да се прехвърлят към метал A, защото всъщност контактната потенциална разлика в кръстовището D ще се увеличи поради топлинния ефект върху него. Това ще се случи, защото има повече активни електрони в метал А близо до контакт D и сега те ще се втурват към съединението В.

Повишената концентрация на електрони в близост до съединение C инициира тяхното движение през контакт C, от метал A до метал B. Тук, по протежение на метал B, електроните ще се преместят в контакт D. И ако температурата на съединение D продължава да се поддържа повишена спрямо контакта C, тогава в тази затворена верига насоченото движение на електроните ще се поддържа обратно на часовниковата стрелка — ще се появи картина на наличието на ЕМП.

В такава затворена верига, съставена от различни метали, ЕМП, произтичаща от разликата в контактните температури, се нарича термо-ЕМП или термоелектромоторна сила.

Thermo-EMF е правопропорционален на температурната разлика между двата контакта и зависи от вида на металите, които изграждат веригата. Електрическата енергия в такава верига всъщност се получава от вътрешната енергия на източника на топлина, която поддържа температурната разлика между контактите. Разбира се, ЕМП, получена по този метод, е изключително малка, в металите се измерва в микроволта, максимумът е в десетки микроволта, за една степен на разлика в контактните температури.

За полупроводниците термо-ЕМП се оказва повече, за тях той достига части от волт на степен на температурна разлика, тъй като концентрацията на електрони в самите полупроводници значително зависи от тяхната температура.

За електронно измерване на температурата използвайте термодвойки (термодвойки)работещи на принципа на измерване на термо-ЕМП. Термодвойката се състои от два различни метала, чиито краища са запоени. Поддържайки температурната разлика между двата контакта (кръстовището и свободните краища), се измерва термо-ЕМП.Свободните краища играят ролята на втори контакт тук. Измервателната верига на устройството е свързана към краищата.

За различни температурни диапазони се избират различни метали на термодвойки и с тяхна помощ температурата се измерва в науката и технологиите.

Свръхпрецизните термометри са направени на базата на термодвойки. С помощта на термодвойки, както много ниските, така и доста високите температури могат да бъдат измерени с висока точност. Освен това точността на измерването в крайна сметка зависи от точността на волтметъра, който измерва термо-ЕМП.

Фигурата показва термодвойка с две кръстовища. Едното кръстовище потъва в топящия се сняг, а температурата на другото кръстовище се определя с помощта на волтметър със скала, калибрирана в градуси. За да се увеличи чувствителността на такъв термометър, понякога термодвойките са свързани към батерия. Дори много слабите потоци на лъчиста енергия (например от далечна звезда) могат да бъдат измерени по този начин.

За практически измервания най-често се използват желязо-константан, мед-константан, хромел-алумел и др. Що се отнася до високи температури, те прибягват до пари с платина и нейните сплави-до огнеупорни материали.

Приложението на термодвойките е широко прието в автоматизирани системи за контрол на температурата в много съвременни индустрии, тъй като сигналът на термодвойката е електрически и може лесно да се интерпретира от електроника, която регулира мощността на определено отоплително устройство.

Ефектът, противоположен на този термоелектричен ефект (наречен ефект на Зеебек), състоящ се в нагряване на един от контактите, докато едновременно охлажда другия, докато преминава постоянен електрически ток през веригата, се нарича ефект на Пелтие.

И двата ефекта се използват в термоелектрически генератори и термоелектрически хладилници.За повече подробности вижте тук:Термоелектрическите ефекти на Зеебек, Пелтие и Томсън и техните приложения