Lực điện động nhiệt điện (thermo-EMF) và ứng dụng của nó trong công nghệ

Thermo-EMF là một suất điện động xảy ra trong một mạch điện bao gồm các dây dẫn không đều được mắc nối tiếp.

Mạch đơn giản nhất bao gồm một dây dẫn 1 và hai dây dẫn giống hệt nhau 2, các điểm tiếp xúc giữa chúng được duy trì ở các nhiệt độ T1 và T2 khác nhau, được thể hiện trong hình.

Do chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu dây 1, động năng trung bình của các hạt mang điện gần điểm nóng hóa ra lớn hơn gần điểm lạnh. Các hạt tải điện khuếch tán từ tiếp xúc nóng sang tiếp xúc lạnh, và tiếp xúc lạnh sẽ thu được một điện thế có dấu được xác định bởi dấu hiệu của các hạt tải điện. Một quá trình tương tự diễn ra trong các nhánh của phần thứ hai của chuỗi. Sự khác biệt giữa các tiềm năng này là EMF nhiệt.

Ở cùng một nhiệt độ các dây kim loại tiếp xúc với nhau trong một mạch kín thì liên hệ với sự khác biệt tiềm năng tại các ranh giới giữa chúng, nó sẽ không tạo ra bất kỳ dòng điện nào trong mạch mà chỉ cân bằng các dòng điện tử có hướng ngược lại.

Tính tổng đại số của hiệu điện thế giữa các tiếp điểm, dễ hiểu là nó biến mất. Do đó, trong trường hợp này sẽ không có EMF trong mạch. Nhưng nếu nhiệt độ tiếp xúc khác nhau thì sao? Giả sử rằng các tiếp điểm C và D ở các nhiệt độ khác nhau. Sau đó thì sao? Trước tiên chúng ta hãy giả sử rằng công của các electron từ kim loại B nhỏ hơn công của kim loại A.

Hãy nhìn vào tình huống này. Hãy tiếp xúc nhiệt với D — các electron từ kim loại B sẽ bắt đầu chuyển sang kim loại A vì thực tế chênh lệch điện thế tiếp xúc tại điểm nối D sẽ tăng lên do tác dụng nhiệt lên nó. Điều này sẽ xảy ra bởi vì có nhiều electron hoạt động hơn trong kim loại A gần tiếp xúc với D và bây giờ chúng sẽ lao tới hợp chất B.

Nồng độ electron gần hợp chất C tăng lên bắt đầu chuyển động của chúng qua tiếp xúc C, từ kim loại A sang kim loại B. Tại đây, dọc theo kim loại B, các electron sẽ chuyển động đến tiếp xúc D. Và nếu nhiệt độ của hợp chất D tiếp tục tăng lên so với tiếp xúc C, thì trong mạch kín này, chuyển động có hướng của các electron sẽ được duy trì ngược chiều kim đồng hồ — một bức tranh về sự hiện diện của EMF sẽ xuất hiện.

Trong một mạch kín bao gồm các kim loại khác nhau như vậy, EMF do sự khác biệt về nhiệt độ tiếp xúc được gọi là nhiệt EMF hoặc lực nhiệt điện động.

Thermo-EMF tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ giữa hai tiếp điểm và phụ thuộc vào loại kim loại tạo nên mạch điện. Năng lượng điện trong một mạch như vậy thực sự được lấy từ năng lượng bên trong của nguồn nhiệt duy trì sự chênh lệch nhiệt độ giữa các tiếp điểm.Tất nhiên, EMF thu được bằng phương pháp này là cực kỳ nhỏ, trong kim loại, nó được đo bằng microvolt, tối đa tính bằng hàng chục microvolt, đối với một mức chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc.

Đối với chất bán dẫn, EMF nhiệt hóa ra nhiều hơn, đối với chúng, nó đạt tới một phần volt trên mỗi mức chênh lệch nhiệt độ, do nồng độ của các electron trong bản thân chất bán dẫn phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ của chúng.

Để đo nhiệt độ điện tử, sử dụng cặp nhiệt điện (cặp nhiệt điện)làm việc trên nguyên tắc đo lường nhiệt điện từ. Một cặp nhiệt điện bao gồm hai kim loại khác nhau có các đầu được hàn lại với nhau. Bằng cách duy trì chênh lệch nhiệt độ giữa hai tiếp điểm (điểm nối và các đầu tự do), nhiệt điện từ trường được đo.Các đầu tự do đóng vai trò của tiếp điểm thứ hai ở đây. Mạch đo của thiết bị được kết nối với các đầu.

Các kim loại khác nhau của cặp nhiệt điện được chọn cho các phạm vi nhiệt độ khác nhau và với sự trợ giúp của chúng, nhiệt độ được đo bằng khoa học và công nghệ.

Nhiệt kế siêu chính xác được chế tạo trên cơ sở cặp nhiệt điện. Với sự trợ giúp của cặp nhiệt điện, có thể đo được cả nhiệt độ rất thấp và khá cao với độ chính xác cao. Hơn nữa, độ chính xác của phép đo cuối cùng phụ thuộc vào độ chính xác của vôn kế đo nhiệt điện từ.

Hình này cho thấy một cặp nhiệt điện có hai điểm nối. Một điểm nối được ngâm trong tuyết tan và nhiệt độ của điểm nối còn lại được xác định bằng vôn kế có thang đo được hiệu chỉnh theo độ. Để tăng độ nhạy của nhiệt kế như vậy, đôi khi các cặp nhiệt điện được kết nối với pin. Ngay cả những dòng năng lượng bức xạ rất yếu (ví dụ như từ một ngôi sao ở xa) cũng có thể được đo theo cách này.

Đối với các phép đo thực tế, thường sử dụng sắt-constantan, đồng-constantan, chromel-alum, v.v. Đối với nhiệt độ cao, họ sử dụng hơi bạch kim và hợp kim của nó - thành vật liệu chịu lửa.

Ứng dụng của cặp nhiệt điện được chấp nhận rộng rãi trong hệ thống kiểm soát nhiệt độ tự động trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại vì tín hiệu cặp nhiệt điện là điện và có thể dễ dàng giải thích bằng thiết bị điện tử điều chỉnh công suất của một thiết bị sưởi ấm cụ thể.

Hiệu ứng ngược lại với hiệu ứng nhiệt điện này (gọi là hiệu ứng Seebeck), bao gồm làm nóng một trong các tiếp điểm đồng thời làm mát tiếp điểm kia trong khi cho dòng điện một chiều chạy qua mạch, được gọi là hiệu ứng Peltier.

Cả hai hiệu ứng này đều được sử dụng trong máy phát nhiệt điện và tủ lạnh nhiệt điện.Chi tiết xem tại đây:Hiệu ứng nhiệt điện Seebeck, Peltier và Thomson và ứng dụng của chúng