Termoelektromootorjõud (termo-EMF) ja selle rakendamine tehnoloogias
Termo-EMF on elektromotoorjõud, mis tekib järjestikku ühendatud ebaühtlastest juhtmetest koosnevas elektriahelas.
Lihtsaim vooluring, mis koosneb juhist 1 ja kahest identsest juhist 2, mille kontaktid hoitakse erinevatel temperatuuridel T1 ja T2, on näidatud joonisel.
Traadi 1 otste temperatuuride erinevuse tõttu osutub laengukandjate keskmine kineetiline energia kuuma ristmiku lähedal suuremaks kui külma läheduses. Kandjad hajuvad kuumalt kontaktilt külmale ja viimane omandab potentsiaali, mille märgi määrab kandjate märk. Sarnane protsess toimub ka ahela teise osa harudes. Nende potentsiaalide erinevus on termo-EMF.
Suletud vooluringis kokku puutuvate metalljuhtmete samal temperatuuril, kontaktpotentsiaali erinevus nendevahelistel piiridel ei tekita see vooluringis voolu, vaid ainult tasakaalustab vastupidiselt suunatud elektronide voogusid.
Arvutades kontaktide potentsiaalsete erinevuste algebralist summat, on lihtne mõista, et see kaob. Seetõttu pole sel juhul vooluringis EMF-i. Aga mis siis, kui kontakttemperatuurid on erinevad? Oletame, et kontaktid C ja D on erinevatel temperatuuridel. Mis siis? Oletame esmalt, et metalli B elektronide tööfunktsioon on väiksem kui metalli A tööfunktsioon.
Vaatame seda olukorda. Kuumutame kontakti D — metallist B tulevad elektronid hakkavad kanduma metallile A, sest tegelikult suureneb kontakti potentsiaalide erinevus ristmikul D tänu sellele avaldatavale soojusmõjule. See juhtub seetõttu, et metallis A on kontakti D lähedal rohkem aktiivseid elektrone ja nüüd tormavad nad ühendi B juurde.
Elektronide suurenenud kontsentratsioon ühendi C lähedal käivitab nende liikumise läbi kontakti C metallist A metallist B. Siin liiguvad elektronid mööda metalli B kontakti D. Ja kui ühendi D temperatuur on kontakti suhtes jätkuvalt kõrgem. C, siis selles suletud ahelas säilib elektronide suunaline liikumine vastupäeva — ilmub pilt EMF olemasolust.
Sellises erinevatest metallidest koosnevas suletud ahelas nimetatakse kontakttemperatuuride erinevusest tekkivat EMF-i termo-EMF-iks või termoelektromootorjõuks.
Thermo-EMF on otseselt proportsionaalne kahe kontakti temperatuuride erinevusega ja sõltub vooluringi moodustavate metallide tüübist. Sellises vooluringis olev elektrienergia tuleneb tegelikult soojusallika sisemisest energiast, mis hoiab kontaktide vahelist temperatuuri erinevust.Loomulikult on selle meetodiga saadav EMF äärmiselt väike, metallides mõõdetakse seda mikrovoltides, maksimum on kümnetes mikrovoltides, ühe kraadise kontakttemperatuuri erinevuse korral.
Pooljuhtide puhul osutub termo-EMF rohkemaks, nende jaoks ulatub see osadeni volti temperatuuride erinevuse kraadi kohta, kuna elektronide kontsentratsioon pooljuhtides sõltub oluliselt nende temperatuurist.
Elektrooniliseks temperatuuri mõõtmiseks kasutage termopaarid (termopaarid)töötab termo-EMF mõõtmise põhimõttel. Termopaar koosneb kahest erinevast metallist, mille otsad on kokku joodetud. Säilitades kahe kontakti (ristmik ja vabad otsad) temperatuuri erinevust, mõõdetakse termo-EMF.Vabad otsad mängivad siin teise kontakti rolli. Seadme mõõteahel on ühendatud otstega.
Termopaaride erinevad metallid valitakse erinevatele temperatuurivahemikele ning nende abil mõõdetakse temperatuuri teaduses ja tehnikas.
Ülitäpsed termomeetrid on valmistatud termopaaride baasil. Termopaaride abil saab suure täpsusega mõõta nii väga madalaid kui ka üsna kõrgeid temperatuure. Lisaks sõltub mõõtmise täpsus lõppkokkuvõttes termo-EMF-i mõõtva voltmeetri täpsusest.
Joonisel on kujutatud kahe ristmikuga termopaar. Üks ristmik uputatakse sulava lume sisse ja teise ristmiku temperatuur määratakse kraadides kalibreeritud skaalaga voltmeetri abil. Sellise termomeetri tundlikkuse suurendamiseks ühendatakse mõnikord termopaarid akuga. Sel viisil saab mõõta isegi väga nõrku kiirgusenergia voogusid (nt kaugest tähest).
Praktilistel mõõtmistel kasutatakse kõige sagedamini raud-konstantaani, vask-konstantaani, kromel-alumeeli jne. Kõrgete temperatuuride puhul kasutavad nad plaatina ja selle sulamitega auru - tulekindlaid materjale.
Termopaaride kasutamine on laialdaselt aktsepteeritud automatiseeritud temperatuuri reguleerimise süsteemides paljudes kaasaegsetes tööstusharudes, kuna termopaari signaal on elektriline ja seda saab kergesti tõlgendada elektroonika abil, mis reguleerib konkreetse kütteseadme võimsust.
Sellele termoelektrilisele efektile (nimetatakse Seebecki efektiks) vastupidist efekti, mis seisneb ühe kontakti kuumutamises ja teise samaaegse jahutamises, juhtides vooluringist otsevoolu, nimetatakse Peltieri efektiks.
Mõlemat efekti kasutatakse termoelektrilistes generaatorites ja termoelektrilistes külmikutes. Täpsemalt vaata siit:Seebecki, Peltieri ja Thomsoni termoelektrilised efektid ja nende rakendused