Termoelektromotīves spēks (termo-EMF) un tā pielietojums tehnoloģijā

Termo-EMF ir elektromotora spēks, kas rodas elektriskajā ķēdē, kas sastāv no virknē savienotiem nelīdzeniem vadītājiem.

Vienkāršākā ķēde, kas sastāv no vadītāja 1 un diviem identiskiem vadītājiem 2, kuru kontakti tiek uzturēti dažādās temperatūrās T1 un T2, ir parādīta attēlā.

Temperatūras starpības dēļ stieples 1 galos vidējā lādiņnesēju kinētiskā enerģija karstā savienojuma tuvumā izrādās lielāka nekā aukstā savienojuma tuvumā. Nesēji izkliedējas no karsta kontakta uz aukstu, un pēdējais iegūst potenciālu, kura zīmi nosaka nesēju zīme. Līdzīgs process notiek arī ķēdes otrās daļas zaros. Atšķirība starp šiem potenciāliem ir termo-EMF.

Tajā pašā temperatūrā metāla vadi, kas saskaras slēgtā ķēdē, kontakta potenciāla atšķirība pie robežām starp tām neradīs ķēdē strāvu, bet tikai līdzsvaros pretēji virzītās elektronu plūsmas.

Aprēķinot potenciālo atšķirību algebrisko summu starp kontaktiem, ir viegli saprast, ka tā pazūd. Tāpēc šajā gadījumā ķēdē nebūs EML. Bet ko darīt, ja kontakta temperatūra ir atšķirīga? Pieņemsim, ka kontaktiem C un D ir dažādas temperatūras. Ko tad? Vispirms pieņemsim, ka metāla B elektronu darba funkcija ir mazāka nekā metāla A darba funkcija.

Apskatīsim šo situāciju. Sildīsim kontaktu D — elektroni no metāla B sāks pāriet uz metālu A, jo faktiski kontakta potenciālu starpība krustojumā D palielināsies siltuma iedarbības dēļ uz to. Tas notiks tāpēc, ka metālā A netālu no kontakta D ir vairāk aktīvo elektronu, un tagad tie steidzas uz savienojumu B.

Palielināta elektronu koncentrācija savienojuma C tuvumā ierosina to kustību caur kontaktu C no metāla A uz metālu B. Šeit, gar metālu B, elektroni pārvietosies uz kontaktu D. Un, ja savienojuma D temperatūra joprojām ir paaugstināta attiecībā pret kontaktu. C, tad šajā slēgtajā ķēdē elektronu virziena kustība tiks uzturēta pretēji pulksteņrādītāja virzienam — parādīsies EML klātbūtnes attēls.

Šādā slēgtā ķēdē, kas sastāv no atšķirīgiem metāliem, EML, kas rodas saskares temperatūru starpības dēļ, sauc par termo-EMF vai termoelektromotīves spēku.

Thermo-EMF ir tieši proporcionāls temperatūras starpībai starp diviem kontaktiem un ir atkarīgs no metālu veida, kas veido ķēdi. Elektriskā enerģija šādā ķēdē faktiski tiek iegūta no siltuma avota iekšējās enerģijas, kas uztur temperatūras starpību starp kontaktiem.Protams, ar šo metodi iegūtais EMF ir ārkārtīgi mazs, metālos to mēra mikrovoltos, maksimums ir desmitos mikrovoltos, pie vienas pakāpes saskares temperatūru starpības.

Pusvadītājiem termo-EMF izrādās vairāk, tiem tas sasniedz voltu daļas uz temperatūras starpības pakāpi, jo elektronu koncentrācija pašos pusvadītājos būtiski ir atkarīga no to temperatūras.

Elektroniskai temperatūras mērīšanai izmantojiet termopāri (termopāri)strādā pēc termo-EMF mērīšanas principa. Termopāris sastāv no diviem atšķirīgiem metāliem, kuru gali ir pielodēti kopā. Uzturot temperatūras starpību starp diviem kontaktiem (savienojumu un brīvajiem galiem), tiek mērīts termo-EMF. Brīvie gali šeit spēlē otrā kontakta lomu. Ierīces mērīšanas ķēde ir savienota ar galiem.

Dažādiem temperatūras diapazoniem tiek izvēlēti dažādi termopāru metāli un ar to palīdzību tiek mērīta temperatūra zinātnē un tehnikā.

Īpaši precīzi termometri ir izgatavoti uz termopāru bāzes. Ar termopāru palīdzību ar augstu precizitāti var izmērīt gan ļoti zemas, gan diezgan augstas temperatūras. Turklāt mērījumu precizitāte galu galā ir atkarīga no voltmetra precizitātes, kas mēra termo-EMF.

Attēlā parādīts termopāris ar diviem krustojumiem. Viens krustojums ir iegremdēts kūstošā sniegā, bet otra krustojuma temperatūra tiek noteikta, izmantojot voltmetru ar skalu, kas kalibrēta grādos. Lai palielinātu šāda termometra jutību, dažreiz termopāri tiek pievienoti akumulatoram. Tādā veidā var izmērīt pat ļoti vājas starojuma enerģijas plūsmas (piemēram, no tālas zvaigznes).

Praktiskiem mērījumiem visbiežāk izmanto dzelzs-konstantānu, vara-konstantānu, hroma-alumelu u.c. Runājot par augstām temperatūrām, viņi izmanto tvaikus ar platīnu un tā sakausējumiem - uz ugunsizturīgiem materiāliem.

Termopāru pielietojums ir plaši pieņemts automatizētās temperatūras kontroles sistēmās daudzās mūsdienu nozarēs, jo termopāra signāls ir elektrisks un to var viegli interpretēt elektronika, kas regulē konkrētas apkures ierīces jaudu.

Pretēju efektu šim termoelektriskajam efektam (sauktu par Zēbeka efektu), kas sastāv no viena kontakta sildīšanas, vienlaikus atdzesējot otru, vienlaikus laižot cauri ķēdei tiešo elektrisko strāvu, sauc par Peltjē efektu.

Abi efekti tiek izmantoti termoelektriskajos ģeneratoros un termoelektriskajos ledusskapjos. Sīkāku informāciju skatiet šeit:Seebeck, Peltier un Thomson termoelektriskie efekti un to pielietojumi