Termoelektrovaros jėga (termo-EMF) ir jos pritaikymas technikoje

Termo-EMF yra elektrovaros jėga, atsirandanti elektros grandinėje, sudarytoje iš nuosekliai sujungtų nelygių laidininkų.

Paprasčiausia grandinė, susidedanti iš laidininko 1 ir dviejų identiškų laidininkų 2, kurių kontaktai palaikomi esant skirtingoms temperatūroms T1 ir T2, parodyta paveikslėlyje.

Dėl temperatūrų skirtumo 1 laido galuose vidutinė krūvininkų kinetinė energija prie karštosios sandūros pasirodo didesnė nei šalia šaltosios. Nešėjai iš karšto kontakto difunduoja į šaltą, o pastarasis įgyja potencialą, kurio ženklą lemia nešėjų ženklas. Panašus procesas vyksta antrosios grandinės dalies šakose. Skirtumas tarp šių potencialų yra termo-EMF.

Esant tokiai pačiai temperatūrai, kai metaliniai laidai liečiasi uždaroje grandinėje, kontaktinio potencialo skirtumas ties ribomis tarp jų jis nesukurs jokios srovės grandinėje, o tik subalansuos priešingai nukreiptus elektronų srautus.

Skaičiuojant algebrinę potencialų skirtumų tarp kontaktų sumą, nesunku suprasti, kad ji išnyksta. Todėl šiuo atveju grandinėje nebus EML. Bet ką daryti, jei kontaktinė temperatūra skiriasi? Tarkime, kad kontaktai C ir D yra skirtingos temperatūros. Kas tada? Pirmiausia darykime prielaidą, kad metalo B elektronų darbo funkcija yra mažesnė nei metalo A darbo funkcija.

Pažvelkime į šią situaciją. Šildykime D – metalo B elektronai pradės pereiti į metalą A, nes iš tikrųjų kontaktinio potencialo skirtumas sankryžoje D padidės dėl šilumos poveikio jam. Taip atsitiks, nes metale A netoli kontakto D yra daugiau aktyvių elektronų ir dabar jie skubės į junginį B.

Padidėjusi elektronų koncentracija šalia junginio C inicijuoja jų judėjimą per kontaktą C, nuo metalo A iki metalo B. Čia, išilgai metalo B, elektronai judės į kontaktą D. Ir jei junginio D temperatūra ir toliau bus aukštesnė, palyginti su kontaktu. C, tada šioje uždaroje grandinėje kryptingas elektronų judėjimas bus palaikomas prieš laikrodžio rodyklę – atsiras EML buvimo vaizdas.

Tokioje uždaroje grandinėje, sudarytoje iš skirtingų metalų, EML, atsirandantis dėl kontaktinių temperatūrų skirtumo, vadinamas termo-EMF arba termoelektromotorine jėga.

Thermo-EMF yra tiesiogiai proporcingas temperatūrų skirtumui tarp dviejų kontaktų ir priklauso nuo metalų, kurie sudaro grandinę, tipo. Elektros energija tokioje grandinėje iš tikrųjų gaunama iš vidinės šilumos šaltinio energijos, kuri palaiko temperatūros skirtumą tarp kontaktų.Žinoma, šiuo metodu gaunamas EML yra itin mažas, metaluose jis matuojamas mikrovoltais, didžiausias – dešimtimis mikrovoltų, esant vienam kontaktinių temperatūrų skirtumo laipsniui.

Puslaidininkiams termo-EMF pasirodo daugiau, jiems jis pasiekia dalis voltų vienam temperatūros skirtumo laipsniui, nes elektronų koncentracija pačiuose puslaidininkiuose labai priklauso nuo jų temperatūros.

Elektroniniam temperatūros matavimui naudokite termoporos (termoporos)dirba termo-EMF matavimo principu. Termopora susideda iš dviejų skirtingų metalų, kurių galai yra sulituoti kartu. Išlaikant temperatūrų skirtumą tarp dviejų kontaktų (sankryžos ir laisvųjų galų), matuojamas termo-EMF. Laisvieji galai čia atlieka antrojo kontakto vaidmenį. Prietaiso matavimo grandinė prijungta prie galų.

Skirtingiems temperatūrų diapazonams parenkami skirtingi termoporų metalai ir jų pagalba temperatūra matuojama moksle ir technikoje.

Itin tikslūs termometrai gaminami termoporų pagrindu. Termoporų pagalba galima itin tiksliai išmatuoti tiek labai žemą, tiek gana aukštą temperatūrą. Be to, matavimo tikslumas galiausiai priklauso nuo voltmetro, matuojančio termo-EMF, tikslumo.

Paveiksle pavaizduota termopora su dviem jungtimis. Viena sandūra panardinama į tirpstantį sniegą, o kitos sankryžos temperatūra nustatoma naudojant voltmetrą su skale, kalibruota laipsniais. Norint padidinti tokio termometro jautrumą, kartais termoporos prijungiamos prie baterijos. Tokiu būdu galima išmatuoti net labai silpnus spinduliavimo energijos srautus (pvz., iš tolimos žvaigždės).

Praktiniams matavimams dažniausiai naudojami geležies-konstantano, vario-konstantano, chromo-alumelio ir kt. Kalbant apie aukštą temperatūrą, jie naudojasi garais su platina ir jos lydiniais - ugniai atspariomis medžiagomis.

Termoporų taikymas yra plačiai priimtas automatizuotose temperatūros valdymo sistemose daugelyje šiuolaikinių pramonės šakų, nes termoporos signalas yra elektrinis ir gali būti lengvai interpretuojamas elektronikos, reguliuojančios konkretaus šildymo įrenginio galią.

Priešingas šio termoelektrinio efekto efektas (vadinamas Seebecko efektu), susidedantis iš vieno iš kontaktų kaitinimo, tuo pat metu aušinant kitą, o per grandinę perduodama tiesioginė elektros srovė, vadinamas Peltier efektu.

Abu efektai naudojami termoelektriniuose generatoriuose ir termoelektriniuose šaldytuvuose. Daugiau informacijos rasite čia:Seebeck, Peltier ir Thomson termoelektriniai efektai ir jų pritaikymas