Термоелектромоторна сила (термо-ЕМС) и њена примена у техници

Термо-ЕМФ је електромоторна сила која се јавља у електричном колу које се састоји од серијски повезаних неравних проводника.

Најједноставније коло које се састоји од проводника 1 и два идентична проводника 2, контакти између којих се одржавају на различитим температурама Т1 и Т2, приказано је на слици.

Због температурне разлике на крајевима жице 1, просечна кинетичка енергија носилаца наелектрисања у близини топлог споја испада да је већа него близу хладног. Носиоци се дифундују са топлог контакта на хладан, а овај други добија потенцијал чији је знак одређен знаком носилаца. Сличан процес се одвија у гранама другог дела ланца. Разлика између ових потенцијала је термо-ЕМФ.

На истој температури металних жица у контакту у затвореном колу, контактна разлика потенцијала на границама између њих неће створити никакву струју у колу, већ само уравнотежити супротно усмерене токове електрона.

Израчунавајући алгебарски збир потенцијалних разлика између контаката, лако је разумети да он нестаје. Дакле, у овом случају неће бити ЕМФ у колу. Али шта ако су контактне температуре различите? Претпоставимо да су контакти Ц и Д на различитим температурама. Шта онда? Претпоставимо прво да је радни рад електрона из метала Б мањи од рада рада из метала А.

Погледајмо ову ситуацију. Хајде да топлотни контакт Д — електрони из метала Б ће почети да се преносе на метал А јер ће се заправо разлика контактног потенцијала на споју Д повећати услед топлотног ефекта на њега. Ово ће се десити зато што има више активних електрона у металу А близу контакта Д и сада ће похрлити у једињење Б.

Повећана концентрација електрона у близини једињења Ц иницира њихово кретање кроз контакт Ц, од метала А до метала Б. Овде, дуж метала Б, електрони ће се кретати до контакта Д. А ако температура једињења Д настави да буде повишена у односу на контакт Ц, онда ће се у овом затвореном колу смер кретања електрона одржати у смеру супротном од казаљке на сату — појавиће се слика присуства ЕМФ.

У таквом затвореном колу састављеном од различитих метала, ЕМФ који настаје као резултат разлике у контактним температурама назива се термо-ЕМФ или термоелектромоторна сила.

Термо-ЕМФ је директно пропорционалан температурној разлици између два контакта и зависи од врсте метала који чине коло. Електрична енергија у таквом колу је заправо изведена из унутрашње енергије извора топлоте који одржава температурну разлику између контаката.Наравно, ЕМФ добијен овом методом је изузетно мали, у металима се мери у микроволтима, максимум је у десетинама микроволта, за један степен разлике у контактним температурама.

За полупроводнике се испоставља да је термо-ЕМФ више, за њих достиже делове волта по степену температурне разлике, пошто концентрација електрона у самим полупроводницима значајно зависи од њихове температуре.

За електронско мерење температуре користите термопарови (термопарови)радећи на принципу термо-ЕМФ мерења. Термопар се састоји од два различита метала чији су крајеви залемљени заједно. Одржавањем температурне разлике између два контакта (спој и слободни крајеви), мери се термо-ЕМФ.Слободни крајеви овде играју улогу другог контакта. Мерни круг уређаја је повезан са крајевима.

Различити метали термопарова бирају се за различите температурне опсеге и уз њихову помоћ се у науци и технологији мери температура.

Ултра прецизни термометри се израђују на бази термопарова. Уз помоћ термопарова могу се са великом тачношћу мерити и веома ниске и прилично високе температуре. Штавише, тачност мерења на крају зависи од тачности волтметра који мери термо-ЕМФ.

На слици је приказан термоелемент са два споја. Један спој је уроњен у снег који се топи, а температура другог споја се одређује помоћу волтметра са скалом калибрисаном у степенима. Да би се повећала осетљивост таквог термометра, понекад се термопарови повезују на батерију. Чак и веома слаби токови енергије зрачења (нпр. од удаљене звезде) могу се мерити на овај начин.

За практична мерења најчешће се користе гвожђе-константан, бакар-константан, хромел-алумел итд. Што се тиче високих температура, они прибегавају испарењима са платином и њеним легурама - ватросталним материјалима.

Примена термопарова је широко прихваћена у аутоматизованим системима за контролу температуре у многим савременим индустријама јер је сигнал термоелемента електрични и лако се може протумачити електроником која подешава снагу одређеног уређаја за грејање.

Ефекат супротан овом термоелектричном ефекту (који се назива Зебеков ефекат), који се састоји у загревању једног од контаката док истовремено хлади други док пропушта једносмерну електричну струју кроз коло, назива се Пелтиеров ефекат.

Оба ефекта се користе код термоелектричних генератора и термоелектричних фрижидера. За више детаља погледајте овде:Термоелектрични ефекти Сеебецк, Пелтиер и Тхомсон и њихова примена