Thermo-elektromotorische kracht (thermo-EMF) en de toepassing ervan in technologie
Thermo-EMF is een elektromotorische kracht die optreedt in een elektrisch circuit dat bestaat uit in serie geschakelde ongelijke geleiders.
De eenvoudigste schakeling bestaande uit een geleider 1 en twee identieke geleiders 2, waarvan de contacten op verschillende temperaturen T1 en T2 worden gehouden, is weergegeven in de figuur.
Door het temperatuurverschil aan de uiteinden van draad 1 blijkt de gemiddelde kinetische energie van ladingsdragers nabij de hete overgang groter te zijn dan nabij de koude. Dragers diffunderen van een heet contact naar een koud contact, en de laatste krijgt een potentiaal waarvan het teken wordt bepaald door het teken van de dragers. Een soortgelijk proces vindt plaats in de takken van het tweede deel van de keten. Het verschil tussen deze potentialen is de thermo-EMF.
Bij dezelfde temperatuur van metalen draden in contact in een gesloten circuit, contactpotentiaalverschil op de grens daartussen zal het geen stroom in het circuit creëren, maar alleen de tegengesteld gerichte elektronenstromen in evenwicht brengen.
Door de algebraïsche som van de potentiaalverschillen tussen de contacten te berekenen, is het gemakkelijk te begrijpen dat deze verdwijnt. Daarom zal er in dit geval geen EMF in het circuit zijn. Maar wat als de contacttemperaturen anders zijn? Neem aan dat contacten C en D verschillende temperaturen hebben. Wat dan? Laten we eerst aannemen dat de uittreedfunctie van elektronen uit metaal B kleiner is dan de uittreedfunctie uit metaal A.
Laten we naar deze situatie kijken. Laten we contact D verwarmen - de elektronen van metaal B zullen beginnen over te gaan naar metaal A omdat het contactpotentiaalverschil bij knooppunt D in feite zal toenemen vanwege het warmte-effect erop. Dit zal gebeuren omdat er meer actieve elektronen zijn in metaal A nabij contact D en nu zullen ze zich naar verbinding B haasten.
De verhoogde concentratie van elektronen nabij verbinding C initieert hun beweging door contact C, van metaal A naar metaal B. Hier, langs metaal B, zullen de elektronen zich verplaatsen naar contact D. En als de temperatuur van verbinding D blijft stijgen ten opzichte van contact C, dan zal in dit gesloten circuit de directionele beweging van elektronen tegen de klok in worden gehandhaafd - er zal een beeld verschijnen van de aanwezigheid van een EMF.
In zo'n gesloten circuit dat is samengesteld uit ongelijksoortige metalen, wordt de EMF die het gevolg is van het verschil in contacttemperaturen thermo-EMF of thermo-elektromotorische kracht genoemd.
Thermo-EMF is recht evenredig met het temperatuurverschil tussen de twee contacten en hangt af van het type metaal waaruit het circuit bestaat. De elektrische energie in zo'n circuit is eigenlijk afkomstig van de interne energie van de warmtebron die het temperatuurverschil tussen de contacten in stand houdt.Natuurlijk is de EMF die met deze methode wordt verkregen extreem klein, in metalen wordt deze gemeten in microvolt, het maximum is in tientallen microvolt, voor één graad verschil in contacttemperaturen.
Voor halfgeleiders blijkt de thermo-EMF meer te zijn, voor hen bereikt het delen van een volt per graad temperatuurverschil, omdat de concentratie van elektronen in de halfgeleiders zelf aanzienlijk afhangt van hun temperatuur.
Gebruik voor elektronische temperatuurmeting thermokoppels (thermokoppels)werken volgens het principe van thermo-EMF-meting. Een thermokoppel bestaat uit twee ongelijksoortige metalen waarvan de uiteinden aan elkaar zijn gesoldeerd. Door het temperatuurverschil tussen de twee contacten (de junctie en de vrije uiteinden) te handhaven, wordt de thermo-EMF gemeten.De vrije uiteinden spelen hier de rol van een tweede contact. Op de uiteinden wordt het meetcircuit van het apparaat aangesloten.
Verschillende metalen van thermokoppels worden gekozen voor verschillende temperatuurbereiken en met hun hulp wordt de temperatuur gemeten in wetenschap en technologie.
Ultraprecieze thermometers worden gemaakt op basis van thermokoppels. Met behulp van thermokoppels kunnen zowel zeer lage als vrij hoge temperaturen met hoge nauwkeurigheid worden gemeten. Verder hangt de nauwkeurigheid van de meting uiteindelijk af van de nauwkeurigheid van de voltmeter die de thermo-EMF meet.
De figuur toont een thermokoppel met twee knooppunten. Eén knooppunt wordt ondergedompeld in de smeltende sneeuw en de temperatuur van het andere knooppunt wordt bepaald met behulp van een voltmeter met een schaalverdeling in graden. Om de gevoeligheid van zo'n thermometer te verhogen, worden er soms thermokoppels op een batterij aangesloten. Zelfs zeer zwakke fluxen van stralingsenergie (bijv. van een verre ster) kunnen op deze manier worden gemeten.
Voor praktische metingen worden meestal ijzer-constantaan, koper-constantaan, chromel-alumel, enz. Gebruikt. Wat hoge temperaturen betreft, nemen ze hun toevlucht tot dampen met platina en zijn legeringen - tot vuurvaste materialen.
De toepassing van thermokoppels is algemeen geaccepteerd in geautomatiseerde temperatuurregelsystemen in veel moderne industrieën omdat het thermokoppelsignaal elektrisch is en gemakkelijk kan worden geïnterpreteerd door elektronica die het vermogen van een bepaald verwarmingsapparaat aanpast.
Het tegenovergestelde effect van dit thermo-elektrische effect (het Seebeck-effect genoemd), bestaande uit het verwarmen van een van de contacten terwijl tegelijkertijd het andere wordt gekoeld terwijl een gelijkstroom door het circuit wordt geleid, wordt het Peltier-effect genoemd.
Beide effecten worden gebruikt in thermo-elektrische generatoren en thermo-elektrische koelkasten Voor meer details zie hier:Seebeck, Peltier en Thomson thermo-elektrische effecten en hun toepassingen