Termoelektromotorinen voima (termo-EMF) ja sen käyttö tekniikassa
Thermo-EMF on sähkömotorinen voima, joka esiintyy sähköpiirissä, joka koostuu sarjaan kytketyistä epätasaisista johtimista.
Yksinkertaisin piiri, joka koostuu johtimesta 1 ja kahdesta identtisestä johtimesta 2, joiden väliset kontaktit pidetään eri lämpötiloissa T1 ja T2, on esitetty kuvassa.
Lämpötilaeron johdosta langan 1 päissä varauksenkuljettajien keskimääräinen kineettinen energia kuuman liitoksen lähellä osoittautuu suuremmiksi kuin kylmän risteyksen lähellä. Kantajat leviävät kuumasta kontaktista kylmään, ja jälkimmäinen saa potentiaalin, jonka merkin määrää kantajien etumerkki. Samanlainen prosessi tapahtuu ketjun toisen osan haaroissa. Näiden potentiaalien välinen ero on lämpö-EMF.
Samassa lämpötilassa metallilangat, jotka ovat kosketuksissa suljetussa piirissä, kosketuspotentiaaliero niiden välisillä rajoilla se ei aiheuta virtaa piiriin, vaan vain tasapainottaa vastakkaiseen suuntaan suunnattuja elektronivirtoja.
Laskemalla kontaktien välisten potentiaalierojen algebrallinen summa on helppo ymmärtää, että se katoaa. Siksi tässä tapauksessa piirissä ei ole EMF:ää. Mutta entä jos kosketuslämpötilat ovat erilaisia? Oletetaan, että koskettimet C ja D ovat eri lämpötiloissa. Mitä sitten? Oletetaan ensin, että metallin B elektronien työfunktio on pienempi kuin metallin A työfunktio.
Katsotaanpa tätä tilannetta. Lämpökontakti D — metallin B elektronit alkavat siirtyä metalliin A, koska itse asiassa kontaktipotentiaaliero liitoksessa D kasvaa siihen kohdistuvan lämpövaikutuksen takia. Tämä tapahtuu, koska metallissa A on enemmän aktiivisia elektroneja lähellä kontaktia D ja nyt ne ryntäävät yhdisteeseen B.
Elektronien lisääntynyt konsentraatio yhdisteen C lähellä käynnistää niiden liikkeen kontaktin C kautta metallista A metalliin B. Tässä, metallia B pitkin, elektronit siirtyvät kosketukseen D. Ja jos yhdisteen D lämpötila jatkaa kohoamista suhteessa kosketukseen C, niin tässä suljetussa piirissä elektronien suunnattu liike säilyy vastapäivään - kuva EMF:n läsnäolosta tulee näkyviin.
Tällaisessa suljetussa piirissä, joka koostuu erilaisista metalleista, kontaktilämpötilojen erosta johtuvaa EMF:ää kutsutaan termo-EMF:ksi tai termoelektromotoriseksi voimaksi.
Thermo-EMF on suoraan verrannollinen kahden koskettimen väliseen lämpötilaeroon ja riippuu piirin muodostavien metallien tyypistä. Tällaisen piirin sähköenergia on itse asiassa johdettu lämmönlähteen sisäisestä energiasta, joka ylläpitää koskettimien välistä lämpötilaeroa.Tietenkin tällä menetelmällä saatu EMF on erittäin pieni, metalleissa se mitataan mikrovoltteina, maksimi on kymmenissä mikrovolteissa, yhdellä kosketuslämpötilojen erolla.
Puolijohteille lämpö-EMF osoittautuu enemmän, niille se saavuttaa voltin osia lämpötilaeron astetta kohti, koska itse puolijohteiden elektronien pitoisuus riippuu merkittävästi niiden lämpötilasta.
Käytä elektroniseen lämpötilan mittaukseen lämpöparit (lämpöparit)toimii lämpö-EMF-mittauksen periaatteella. Termopari koostuu kahdesta erilaisesta metallista, joiden päät on juotettu yhteen. Ylläpitämällä kahden koskettimen (liitos ja vapaat päät) välistä lämpötilaeroa mitataan lämpö-EMF.Vapaat päät toimivat tässä toisena koskettimena. Laitteen mittauspiiri on kytketty päihin.
Termoparien eri metallit valitaan eri lämpötila-alueille ja niiden avulla mitataan lämpötilaa tieteessä ja tekniikassa.
Ultratarkat lämpömittarit valmistetaan lämpöparien pohjalta. Termoparien avulla voidaan mitata sekä erittäin alhaisia että melko korkeita lämpötiloja suurella tarkkuudella. Lisäksi mittauksen tarkkuus riippuu viime kädessä termo-EMF:n mittaavan volttimittarin tarkkuudesta.
Kuvassa on termopari, jossa on kaksi liitoskohtaa. Toinen risteys upotetaan sulavaan lumeen ja toisen risteyksen lämpötila määritetään volttimittarilla, jonka asteikko on kalibroitu asteina. Tällaisen lämpömittarin herkkyyden lisäämiseksi joskus lämpöparit kytketään akkuun. Tällä tavalla voidaan mitata jopa erittäin heikot säteilyenergiavuot (esim. kaukaisesta tähdestä).
Käytännön mittauksissa käytetään useimmiten rauta-konstantaania, kuparikonstantaania, kromi-alumelia jne. Mitä tulee korkeisiin lämpötiloihin, he turvautuvat höyryihin, joissa on platinaa ja sen seoksia - tulenkestäviä materiaaleja.
Termoparien käyttö on laajalti hyväksytty automaattisissa lämpötilansäätöjärjestelmissä monilla nykyaikaisilla teollisuudenaloilla, koska termoparin signaali on sähköinen ja sen voi helposti tulkita tietyn lämmityslaitteen tehoa säätävällä elektroniikalla.
Tämän lämpösähköisen vaikutuksen päinvastaista vaikutusta (kutsutaan Seebeck-ilmiöksi), joka koostuu yhden koskettimen lämmittämisestä ja samalla toisen jäähdyttämisestä samalla kun johdetaan tasavirtaa piirin läpi, kutsutaan Peltier-ilmiöksi.
Molempia tehosteita käytetään lämpögeneraattoreissa ja lämpösähköisissä jääkaapeissa. Katso lisätietoja täältä:Seebeckin, Peltierin ja Thomsonin lämpösähköiset efektit ja niiden sovellukset