A termoelektromotoros erő (termo-EMF) és alkalmazása a technikában

A Thermo-EMF egy olyan elektromotoros erő, amely sorosan kapcsolt egyenetlen vezetőkből álló elektromos áramkörben lép fel.

Az ábrán látható a legegyszerűbb áramkör, amely egy 1 vezetőből és két azonos 2 vezetőből áll, amelyek közötti érintkezéseket különböző T1 és T2 hőmérsékleten tartják.

Az 1. huzal végének hőmérséklet-különbsége miatt a töltéshordozók átlagos kinetikus energiája a forró csomópont közelében nagyobb, mint a hidegnél. A hordozók a forró érintkezésből a hidegbe diffundálnak, és az utóbbi olyan potenciált kap, amelynek előjelét a hordozók előjele határozza meg. Hasonló folyamat megy végbe a lánc második részének ágaiban is. E potenciálok közötti különbség a termo-EMF.

A zárt áramkörben érintkező fémhuzalok azonos hőmérsékletén, érintkezési potenciál különbség a köztük lévő határokon nem hoz létre áramot az áramkörben, hanem csak az ellentétes irányú elektronáramlásokat egyensúlyozza ki.

Az érintkezők közötti potenciálkülönbségek algebrai összegét kiszámítva könnyen érthető, hogy az eltűnik. Ezért ebben az esetben nem lesz EMF az áramkörben. De mi van, ha az érintkezési hőmérséklet eltérő? Tegyük fel, hogy a C és D érintkezők különböző hőmérsékletűek. Akkor mit? Először tegyük fel, hogy a B fémből származó elektronok munkafüggvénye kisebb, mint az A fémből származó elektronok munkafüggvénye.

Nézzük ezt a helyzetet. Hőérintkezőt hozzunk létre D - a B fém elektronjai elkezdenek átjutni az A fémre, mert valójában a D csomópont érintkezési potenciálkülönbsége megnő a rá ható hőhatás miatt. Ez azért fog megtörténni, mert az A fémben több aktív elektron van a D kontaktus közelében, és most a B vegyülethez fognak rohanni.

Az elektronok megnövekedett koncentrációja a C vegyület közelében megindítja mozgásukat a C érintkezőn keresztül, A fémből B fémbe. Itt, a B fém mentén, az elektronok a D kontaktushoz mozdulnak el. És ha a D vegyület hőmérséklete továbbra is emelkedik a kontaktushoz képest. C, akkor ebben a zárt áramkörben az elektronok iránymozgása az óramutató járásával ellentétes irányban megmarad - megjelenik az EMF jelenlétének képe.

Egy ilyen, különböző fémekből álló zárt körben az érintkezési hőmérsékletek különbségéből származó EMF-et termo-EMF-nek vagy termoelektromotoros erőnek nevezik.

A Thermo-EMF egyenesen arányos a két érintkező közötti hőmérséklet-különbséggel, és az áramkört alkotó fémek típusától függ. Az ilyen áramkörben lévő elektromos energia valójában a hőforrás belső energiájából származik, amely fenntartja az érintkezők közötti hőmérséklet-különbséget.Természetesen az ezzel a módszerrel kapott EMF rendkívül kicsi, a fémekben mikrovoltban mérik, a maximum tíz mikrovoltban van, egy fokos érintkezési hőmérséklet-különbség esetén.

A félvezetők esetében a termo-EMF többnek bizonyul, számukra eléri a volt részeit a hőmérséklet-különbség fokánként, mivel magukban a félvezetőkben az elektronok koncentrációja jelentősen függ a hőmérsékletüktől.

Elektronikus hőmérsékletméréshez használja hőelemek (hőelemek)termo-EMF mérés elvén működik. A hőelem két különböző fémből áll, amelyek végei össze vannak forrasztva. A két érintkező (a csomópont és a szabad végek) közötti hőmérséklet-különbség fenntartásával megmérjük a termo-EMF-et, ahol a szabad végek egy második érintkező szerepét töltik be. A készülék mérőáramköre a végekre csatlakozik.

A hőelemek különböző fémeit különböző hőmérsékleti tartományokhoz választják ki, és ezek segítségével mérik a hőmérsékletet a tudományban és a technikában.

Az ultraprecíziós hőmérők hőelemek alapján készülnek. A hőelemek segítségével nagyon alacsony és meglehetősen magas hőmérsékletek is nagy pontossággal mérhetők. Ezenkívül a mérés pontossága végső soron a termo-EMF-et mérő voltmérő pontosságától függ.

Az ábrán egy hőelem látható két csomóponttal. Az egyik csomópont az olvadó hóba merül, a másik csomópont hőmérsékletét fokban kalibrált skálával ellátott voltmérővel határozzák meg. Az ilyen hőmérő érzékenységének növelése érdekében néha hőelemeket csatlakoztatnak az akkumulátorhoz. Még nagyon gyenge (pl. távoli csillagból származó) sugárzó energia fluxusa is mérhető így.

A gyakorlati mérésekhez leggyakrabban vas-konstantán, réz-konstantán, króm-alumel stb. Ami a magas hőmérsékletet illeti, a platina és ötvözetei gőzeihez folyamodnak - tűzálló anyagokhoz.

A hőelemek alkalmazása széles körben elfogadott automatizált hőmérsékletszabályozó rendszerekben sok modern iparágban, mert a hőelem jele elektromos, és könnyen értelmezhető egy adott fűtőberendezés teljesítményét beállító elektronika által.

Ennek a termoelektromos effektusnak az ellenkezőjét (ezt Seebeck-effektusnak nevezik), amely abból áll, hogy az egyik érintkezőt felmelegítik, miközben a másikat hűtik, miközben egyenáramot vezetnek át az áramkörön, Peltier-effektusnak nevezik.

Mindkét hatást termoelektromos generátorokban és termoelektromos hűtőszekrényekben használják. További részletekért lásd itt:Seebeck, Peltier és Thomson termoelektromos effektusok és alkalmazásaik