Termoelektromotorická sila (termo-EMF) a jej využitie v technológii

Thermo-EMF je elektromotorická sila vyskytujúca sa v elektrickom obvode pozostávajúcom zo sériovo zapojených nerovných vodičov.

Najjednoduchší obvod pozostávajúci z vodiča 1 a dvoch rovnakých vodičov 2, medzi ktorými sú kontakty udržiavané pri rôznych teplotách T1 a T2, je znázornený na obrázku.

V dôsledku teplotného rozdielu na koncoch drôtu 1 sa priemerná kinetická energia nosičov náboja v blízkosti horúceho spoja ukáže byť väčšia ako v blízkosti studeného. Nosiče difundujú z horúceho kontaktu do studeného a ten nadobúda potenciál, ktorého znamenie je určené znamienkom nosičov. Podobný proces prebieha aj vo vetvách druhej časti reťazca. Rozdiel medzi týmito potenciálmi je termo-EMF.

Pri rovnakej teplote kovových drôtov v kontakte v uzavretom okruhu, rozdiel kontaktného potenciálu na hraniciach medzi nimi nevytvorí žiadny prúd v obvode, ale iba vyrovná opačne smerované toky elektrónov.

Pri výpočte algebraického súčtu potenciálnych rozdielov medzi kontaktmi je ľahké pochopiť, že zmizne. Preto v tomto prípade nebude v obvode EMF. Ale čo ak sú kontaktné teploty odlišné? Predpokladajme, že kontakty C a D majú rôzne teploty. Čo potom? Najprv predpokladajme, že pracovná funkcia elektrónov z kovu B je menšia ako pracovná funkcia z kovu A.

Pozrime sa na túto situáciu. Poďme tepelný kontakt D - elektróny z kovu B sa začnú prenášať na kov A, pretože v skutočnosti sa rozdiel kontaktného potenciálu na prechode D zvýši v dôsledku tepelného účinku naň. Stane sa to preto, že v kovu A je v blízkosti kontaktu D viac aktívnych elektrónov a teraz sa ponáhľajú na zlúčeninu B.

Zvýšená koncentrácia elektrónov v blízkosti zlúčeniny C iniciuje ich pohyb cez kontakt C z kovu A na kov B. Tu, pozdĺž kovu B, sa elektróny presunú ku kontaktu D. A ak je teplota zlúčeniny D naďalej zvýšená vzhľadom na kontakt C, potom v tomto uzavretom okruhu bude smerový pohyb elektrónov udržiavaný proti smeru hodinových ručičiek - objaví sa obraz prítomnosti EMF.

V takomto uzavretom okruhu zloženom z rôznych kovov sa EMF vyplývajúce z rozdielu kontaktných teplôt nazýva termo-EMF alebo termoelektromotorická sila.

Thermo-EMF je priamo úmerná teplotnému rozdielu medzi dvoma kontaktmi a závisí od typu kovov, ktoré tvoria obvod. Elektrická energia v takomto obvode je vlastne odvodená z vnútornej energie zdroja tepla, ktorý udržiava teplotný rozdiel medzi kontaktmi.Samozrejme, EMF získané touto metódou je extrémne malé, v kovoch sa meria v mikrovoltoch, maximum je v desiatkach mikrovoltov, pre jeden stupeň rozdielu kontaktných teplôt.

Pre polovodiče sa termo-EMF ukazuje ako viac, pre nich dosahuje časti voltu na stupeň teplotného rozdielu, pretože koncentrácia elektrónov v samotných polovodičoch výrazne závisí od ich teploty.

Na elektronické meranie teploty použite termočlánky (termočlánky)pracujúce na princípe termo-EMF merania. Termočlánok pozostáva z dvoch odlišných kovov, ktorých konce sú spolu spájkované. Udržiavaním teplotného rozdielu medzi dvomi kontaktmi (prechod a voľné konce) sa meria termo-EMF.Voľné konce tu hrajú úlohu druhého kontaktu. Merací obvod zariadenia je pripojený na konce.

Rôzne kovy termočlánkov sa vyberajú pre rôzne teplotné rozsahy a pomocou nich sa vo vede a technike meria teplota.

Ultra presné teplomery sú vyrobené na báze termočlánkov. Pomocou termočlánkov je možné s vysokou presnosťou merať veľmi nízke aj dosť vysoké teploty. Okrem toho presnosť merania v konečnom dôsledku závisí od presnosti voltmetra, ktorý meria termo-EMF.

Obrázok ukazuje termočlánok s dvoma spojmi. Jeden spoj sa ponorí do topiaceho sa snehu a teplota druhého spoja sa určí pomocou voltmetra so stupnicou kalibrovanou v stupňoch. Na zvýšenie citlivosti takéhoto teplomeru sú niekedy termočlánky pripojené k batérii. Takto možno merať aj veľmi slabé toky žiarivej energie (napr. zo vzdialenej hviezdy).

Na praktické merania sa najčastejšie používa železo-konštantan, meď-konstantan, chromel-alumel atď. Pokiaľ ide o vysoké teploty, uchyľujú sa k parám s platinou a jej zliatinami - k žiaruvzdorným materiálom.

Aplikácia termočlánkov je široko akceptovaná v automatizovaných systémoch regulácie teploty v mnohých moderných odvetviach, pretože signál termočlánku je elektrický a môže byť ľahko interpretovaný elektronikou, ktorá upravuje výkon konkrétneho vykurovacieho zariadenia.

Opačný efekt k tomuto termoelektrickému efektu (nazývaný Seebeckov efekt), spočívajúci v zahrievaní jedného z kontaktov pri súčasnom chladení druhého pri prechode jednosmerného elektrického prúdu cez obvod, sa nazýva Peltierov efekt.

Oba efekty sa používajú v termoelektrických generátoroch a termoelektrických chladničkách. Viac podrobností nájdete tu:Seebeckove, Peltierove a Thomsonove termoelektrické javy a ich aplikácie