Termoelektromotorická síla (termo-EMF) a její aplikace v technologii

Thermo-EMF je elektromotorická síla vyskytující se v elektrickém obvodu sestávajícím ze sériově zapojených nerovných vodičů.

Nejjednodušší obvod sestávající z vodiče 1 a dvou stejných vodičů 2, mezi nimiž jsou kontakty udržovány při různých teplotách T1 a T2, je znázorněn na obrázku.

V důsledku teplotního rozdílu na koncích drátu 1 se průměrná kinetická energie nosičů náboje v blízkosti horkého spoje ukáže být větší než v blízkosti studeného. Nosiče difundují z horkého kontaktu do studeného a ten získává potenciál, jehož znaménko je určeno znaménkem nosičů. Podobný proces probíhá ve větvích druhé části řetězce. Rozdíl mezi těmito potenciály je termo-EMF.

Při stejné teplotě kovových drátů v kontaktu v uzavřeném okruhu, rozdíl kontaktního potenciálu na hranicích mezi nimi nevytvoří v obvodu žádný proud, ale pouze vyrovnává opačně směrované toky elektronů.

Při výpočtu algebraického součtu potenciálních rozdílů mezi kontakty je snadné pochopit, že zmizí. Proto v tomto případě nebude v obvodu žádné EMF. Ale co když jsou kontaktní teploty odlišné? Předpokládejme, že kontakty C a D mají různé teploty. Co pak? Předpokládejme nejprve, že pracovní funkce elektronů z kovu B je menší než pracovní funkce z kovu A.

Podívejme se na tuto situaci. Pojďme tepelný kontakt D — elektrony z kovu B se začnou přenášet na kov A, protože ve skutečnosti se rozdíl kontaktních potenciálů na přechodu D zvýší vlivem tepelného účinku na něj. To se stane, protože v kovu A je v blízkosti kontaktu D více aktivních elektronů a nyní se vrhnou na sloučeninu B.

Zvýšená koncentrace elektronů v blízkosti sloučeniny C iniciuje jejich pohyb přes kontakt C, z kovu A na kov B. Zde, podél kovu B, se elektrony přesunou ke kontaktu D. A pokud je teplota sloučeniny D i nadále zvýšená vzhledem ke kontaktu C, pak v tomto uzavřeném okruhu bude směrový pohyb elektronů udržován proti směru hodinových ručiček — objeví se obraz přítomnosti EMF.

V takovém uzavřeném okruhu složeném z různých kovů se EMF vyplývající z rozdílu kontaktních teplot nazývá termo-EMF nebo termoelektromotorická síla.

Thermo-EMF je přímo úměrná teplotnímu rozdílu mezi dvěma kontakty a závisí na typu kovů, které tvoří obvod. Elektrická energie v takovém obvodu je vlastně odvozena z vnitřní energie zdroje tepla, který udržuje teplotní rozdíl mezi kontakty.EMF získané touto metodou je samozřejmě extrémně malé, v kovech se měří v mikrovoltech, maximum je v desítkách mikrovoltů, pro jeden stupeň rozdílu kontaktních teplot.

U polovodičů se termo-EMF ukazuje jako více, u nich dosahuje částí voltu na stupeň teplotního rozdílu, protože koncentrace elektronů v samotných polovodičích výrazně závisí na jejich teplotě.

Pro elektronické měření teploty použijte termočlánky (termočlánky)pracující na principu termo-EMF měření. Termočlánek se skládá ze dvou různých kovů, jejichž konce jsou k sobě připájeny. Udržováním teplotního rozdílu mezi dvěma kontakty (přechodem a volnými konci) se měří termo-EMF.Volné konce zde hrají roli druhého kontaktu. Na koncích je připojen měřicí obvod zařízení.

Různé kovy termočlánků se volí pro různé teplotní rozsahy a s jejich pomocí se ve vědě a technice měří teplota.

Ultra-přesné teploměry jsou vyráběny na bázi termočlánků. Pomocí termočlánků lze s vysokou přesností měřit jak velmi nízké, tak i docela vysoké teploty. Navíc přesnost měření v konečném důsledku závisí na přesnosti voltmetru, který měří termo-EMF.

Obrázek ukazuje termočlánek se dvěma přechody. Jeden spoj je ponořen do tajícího sněhu a teplota druhého spoje se zjišťuje pomocí voltmetru se stupnicí kalibrovanou ve stupních. Pro zvýšení citlivosti takového teploměru jsou někdy termočlánky připojeny k baterii. Tímto způsobem lze měřit i velmi slabé toky zářivé energie (např. ze vzdálené hvězdy).

Pro praktická měření se nejčastěji používá železo-konstantan, měď-konstantan, chromel-alumel atd. Pokud jde o vysoké teploty, uchýlí se k výparům s platinou a jejími slitinami - k žáruvzdorným materiálům.

Aplikace termočlánků je široce přijímána v automatizovaných systémech regulace teploty v mnoha moderních průmyslových odvětvích, protože signál termočlánku je elektrický a může být snadno interpretován elektronikou, která upravuje výkon konkrétního topného zařízení.

Opačný efekt k tomuto termoelektrickému jevu (nazývaný Seebeckův efekt), spočívající v zahřívání jednoho z kontaktů při současném chlazení druhého při průchodu stejnosměrného elektrického proudu obvodem, se nazývá Peltierův jev.

Oba efekty se používají v termoelektrických generátorech a termoelektrických chladničkách. Více podrobností zde:Seebeckovy, Peltierovy a Thomsonovy termoelektrické jevy a jejich aplikace