Θερμοηλεκτρική δύναμη (θερμο-EMF) και εφαρμογή της στην τεχνολογία

Το Thermo-EMF είναι μια ηλεκτροκινητική δύναμη που εμφανίζεται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από ανομοιόμορφους αγωγούς συνδεδεμένους σε σειρά.

Το απλούστερο κύκλωμα που αποτελείται από έναν αγωγό 1 και δύο πανομοιότυπους αγωγούς 2, οι επαφές μεταξύ των οποίων διατηρούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες Τ1 και Τ2, φαίνεται στο σχήμα.

Λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας στα άκρα του σύρματος 1, η μέση κινητική ενέργεια των φορέων φορτίου κοντά στη θερμή διασταύρωση αποδεικνύεται μεγαλύτερη από ότι κοντά στην ψυχρή. Οι φορείς διαχέονται από μια ζεστή επαφή σε μια ψυχρή και η τελευταία αποκτά ένα δυναμικό του οποίου το πρόσημο καθορίζεται από το πρόσημο των φορέων. Μια παρόμοια διαδικασία λαμβάνει χώρα στα κλαδιά του δεύτερου τμήματος της αλυσίδας. Η διαφορά μεταξύ αυτών των δυναμικών είναι το thermo-EMF.

Στην ίδια θερμοκρασία των μεταλλικών συρμάτων σε επαφή σε κλειστό κύκλωμα, διαφορά δυναμικού επαφής στα μεταξύ τους όρια, δεν θα δημιουργήσει ρεύμα στο κύκλωμα, αλλά θα εξισορροπήσει μόνο τις αντίθετα κατευθυνόμενες ροές ηλεκτρονίων.

Υπολογίζοντας το αλγεβρικό άθροισμα των διαφορών δυναμικού μεταξύ των επαφών, είναι εύκολο να καταλάβουμε ότι εξαφανίζεται. Επομένως, σε αυτή την περίπτωση δεν θα υπάρχει EMF στο κύκλωμα. Τι γίνεται όμως αν οι θερμοκρασίες επαφής είναι διαφορετικές; Ας υποθέσουμε ότι οι επαφές C και D βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Τι τότε? Ας υποθέσουμε πρώτα ότι η συνάρτηση εργασίας των ηλεκτρονίων από το μέταλλο Β είναι μικρότερη από τη συνάρτηση εργασίας από το μέταλλο Α.

Ας δούμε αυτή την κατάσταση. Ας θερμανθεί η επαφή D — τα ηλεκτρόνια από το μέταλλο Β θα αρχίσουν να μεταφέρονται στο μέταλλο Α επειδή στην πραγματικότητα η διαφορά δυναμικού επαφής στη διασταύρωση D θα αυξηθεί λόγω της επίδρασης θερμότητας σε αυτό. Αυτό θα συμβεί επειδή υπάρχουν περισσότερα ενεργά ηλεκτρόνια στο μέταλλο Α κοντά στην επαφή D και τώρα θα σπεύσουν προς την ένωση Β.

Η αυξημένη συγκέντρωση ηλεκτρονίων κοντά στην ένωση C ξεκινά την κίνησή τους μέσω της επαφής C, από το μέταλλο Α στο μέταλλο Β. Εδώ, κατά μήκος του μετάλλου Β, τα ηλεκτρόνια θα μετακινηθούν στην επαφή D. Και αν η θερμοκρασία της ένωσης D συνεχίσει να είναι αυξημένη σε σχέση με την επαφή C, τότε σε αυτό το κλειστό κύκλωμα η κατευθυντική κίνηση των ηλεκτρονίων θα διατηρηθεί αριστερόστροφα — θα εμφανιστεί μια εικόνα της παρουσίας ενός EMF.

Σε ένα τέτοιο κλειστό κύκλωμα που αποτελείται από ανόμοια μέταλλα, το EMF που προκύπτει από τη διαφορά στις θερμοκρασίες επαφής ονομάζεται θερμο-EMF ή θερμοηλεκτρική δύναμη.

Το Thermo-EMF είναι ευθέως ανάλογο με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επαφών και εξαρτάται από τον τύπο των μετάλλων που αποτελούν το κύκλωμα. Η ηλεκτρική ενέργεια σε ένα τέτοιο κύκλωμα προέρχεται στην πραγματικότητα από την εσωτερική ενέργεια της πηγής θερμότητας που διατηρεί τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των επαφών.Φυσικά, το EMF που λαμβάνεται με αυτή τη μέθοδο είναι εξαιρετικά μικρό, στα μέταλλα μετριέται σε microvolt, το μέγιστο είναι σε δεκάδες microvolt, για έναν βαθμό διαφοράς στις θερμοκρασίες επαφής.

Για τους ημιαγωγούς, το θερμο-EMF αποδεικνύεται περισσότερο, γι 'αυτούς φτάνει σε μέρη ενός βολτ ανά βαθμό διαφοράς θερμοκρασίας, καθώς η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στους ίδιους τους ημιαγωγούς εξαρτάται σημαντικά από τη θερμοκρασία τους.

Για ηλεκτρονική μέτρηση θερμοκρασίας, χρησιμοποιήστε θερμοζευγών (θερμοζευγών)λειτουργώντας με βάση την αρχή της μέτρησης θερμο-EMF. Ένα θερμοστοιχείο αποτελείται από δύο ανόμοια μέταλλα των οποίων τα άκρα είναι συγκολλημένα μεταξύ τους. Διατηρώντας τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επαφών (η διασταύρωση και τα ελεύθερα άκρα), μετράται το θερμο-EMF.Τα ελεύθερα άκρα παίζουν εδώ το ρόλο μιας δεύτερης επαφής. Το κύκλωμα μέτρησης της συσκευής συνδέεται στα άκρα.

Διαφορετικά μέταλλα θερμοστοιχείων επιλέγονται για διαφορετικά εύρη θερμοκρασιών και με τη βοήθειά τους μετράται η θερμοκρασία στην επιστήμη και την τεχνολογία.

Τα θερμόμετρα εξαιρετικά ακριβείας κατασκευάζονται με βάση θερμοστοιχεία. Με τη βοήθεια των θερμοστοιχείων μπορούν να μετρηθούν με μεγάλη ακρίβεια τόσο οι πολύ χαμηλές όσο και οι αρκετά υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, η ακρίβεια της μέτρησης εξαρτάται τελικά από την ακρίβεια του βολτόμετρου που μετρά το θερμο-EMF.

Το σχήμα δείχνει ένα θερμοστοιχείο με δύο συνδέσμους. Η μία διασταύρωση βυθίζεται στο λιώσιμο του χιονιού και η θερμοκρασία της άλλης διασταύρωσης προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας ένα βολτόμετρο με κλίμακα βαθμονομημένη σε μοίρες. Για να αυξηθεί η ευαισθησία ενός τέτοιου θερμομέτρου, μερικές φορές τα θερμοστοιχεία συνδέονται με μια μπαταρία. Ακόμη και πολύ ασθενείς ροές ακτινοβολίας (π.χ. από ένα μακρινό αστέρι) μπορούν να μετρηθούν με αυτόν τον τρόπο.

Για πρακτικές μετρήσεις, χρησιμοποιούνται συχνότερα σίδηρος-κονσταντάν, χαλκός-κονσταντάνη, χρωμέλ-αλουμέλ κ.λπ. Όσο για τις υψηλές θερμοκρασίες, καταφεύγουν σε ατμούς με πλατίνα και τα κράματά της - σε πυρίμαχα υλικά.

Η εφαρμογή των θερμοστοιχείων είναι ευρέως αποδεκτή σε αυτοματοποιημένα συστήματα ελέγχου θερμοκρασίας σε πολλές σύγχρονες βιομηχανίες επειδή το σήμα θερμοστοιχείου είναι ηλεκτρικό και μπορεί εύκολα να ερμηνευτεί από ηλεκτρονικά που προσαρμόζουν την ισχύ μιας συγκεκριμένης συσκευής θέρμανσης.

Το αντίθετο αποτέλεσμα από αυτό το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο (που ονομάζεται φαινόμενο Seebeck), που συνίσταται στη θέρμανση μιας από τις επαφές ενώ ταυτόχρονα ψύχεται η άλλη ενώ περνάει ένα άμεσο ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του κυκλώματος, ονομάζεται φαινόμενο Peltier.

Και τα δύο εφέ χρησιμοποιούνται σε θερμοηλεκτρικές γεννήτριες και θερμοηλεκτρικά ψυγεία. Για περισσότερες λεπτομέρειες δείτε εδώ:Τα θερμοηλεκτρικά εφέ Seebeck, Peltier και Thomson και οι εφαρμογές τους