Força termoelectromotriu (termo-EMF) i la seva aplicació en tecnologia
Thermo-EMF és una força electromotriu que es produeix en un circuit elèctric format per conductors desiguals connectats en sèrie.
A la figura es mostra el circuit més senzill format per un conductor 1 i dos conductors idèntics 2, els contactes entre els quals es mantenen a diferents temperatures T1 i T2.
A causa de la diferència de temperatura als extrems del cable 1, l'energia cinètica mitjana dels portadors de càrrega a prop de la unió calenta resulta més gran que a prop de la freda. Els portadors es difonen d'un contacte calent a un de fred, i aquest últim adquireix un potencial el signe del qual està determinat pel signe dels portadors. Un procés similar té lloc a les branques de la segona part de la cadena. La diferència entre aquests potencials és el termo-EMF.
A la mateixa temperatura dels cables metàl·lics en contacte en un circuit tancat, diferència de potencial de contacte als límits entre ells, no crearà cap corrent al circuit, sinó que només equilibrarà els fluxos d'electrons de direcció oposada.
Calculant la suma algebraica de les diferències de potencial entre els contactes, és fàcil entendre que s'esvaeix. Per tant, en aquest cas no hi haurà EMF al circuit. Però, què passa si les temperatures de contacte són diferents? Suposem que els contactes C i D es troben a temperatures diferents. Llavors que? Suposem primer que la funció de treball dels electrons del metall B és menor que la funció de treball del metall A.
Vegem aquesta situació. Posem a la calor el contacte D: els electrons del metall B començaran a transferir-se al metall A perquè, en realitat, la diferència de potencial de contacte a la unió D augmentarà a causa de l'efecte de la calor sobre ell. Això passarà perquè hi ha més electrons actius al metall A prop del contacte D i ara es precipitaran al compost B.
L'augment de la concentració d'electrons a prop del compost C inicia el seu moviment a través del contacte C, del metall A al metall B. Aquí, al llarg del metall B, els electrons es mouran al contacte D. I si la temperatura del compost D continua augmentant respecte al contacte. C, aleshores en aquest circuit tancat el moviment direccional dels electrons es mantindrà en sentit contrari a les agulles del rellotge: apareixerà una imatge de la presència d'un EMF.
En un circuit tancat composat per metalls diferents, l'EMF resultant de la diferència de temperatures de contacte s'anomena termo-EMF o força termoelectromotriu.
Thermo-EMF és directament proporcional a la diferència de temperatura entre els dos contactes i depèn del tipus de metalls que componen el circuit. L'energia elèctrica en aquest circuit es deriva en realitat de l'energia interna de la font de calor que manté la diferència de temperatura entre els contactes.Per descomptat, l'EMF obtingut amb aquest mètode és extremadament petit, en metalls es mesura en microvolts, el màxim és en desenes de microvolts, per un grau de diferència de temperatures de contacte.
Per als semiconductors, el termo-EMF resulta ser més, per a ells arriba a parts d'un volt per grau de diferència de temperatura, ja que la concentració d'electrons en els mateixos semiconductors depèn significativament de la seva temperatura.
Per mesurar la temperatura electrònica, utilitzeu termoparells (termoparells)treballant en el principi de mesura de termo-EMF. Un termopar està format per dos metalls diferents els extrems dels quals estan soldats entre si. Mantenint la diferència de temperatura entre els dos contactes (la unió i els extrems lliures), es mesura el termo-EMF, els extrems lliures juguen aquí el paper d'un segon contacte. El circuit de mesura del dispositiu està connectat als extrems.
Es trien diferents metalls de termoparells per a diferents rangs de temperatura i amb la seva ajuda es mesura la temperatura en ciència i tecnologia.
Els termòmetres d'ultra precisió es fabriquen a partir de termoparells. Amb l'ajuda de termoparells, es poden mesurar temperatures molt baixes i força altes amb gran precisió. A més, la precisió de la mesura depèn en última instància de la precisió del voltímetre que mesura el termo-EMF.
La figura mostra un termoparell amb dues unions. Una unió està immersa a la neu que es fon, i la temperatura de l'altra unió es determina mitjançant un voltímetre amb una escala calibrada en graus. Per augmentar la sensibilitat d'aquest termòmetre, de vegades els termoparells es connecten a una bateria. Fins i tot fluxos molt febles d'energia radiant (per exemple, d'una estrella llunyana) es poden mesurar d'aquesta manera.
Per a mesures pràctiques, s'utilitzen més sovint ferro-constantan, coure-constantan, cromel-alumel, etc. Pel que fa a les altes temperatures, recorren a vapors amb platí i els seus aliatges, a materials refractaris.
L'aplicació de termoparells és àmpliament acceptada en sistemes automatitzats de control de temperatura en moltes indústries modernes perquè el senyal del termopar és elèctric i es pot interpretar fàcilment per l'electrònica que ajusten la potència d'un dispositiu de calefacció particular.
L'efecte contrari a aquest efecte termoelèctric (anomenat efecte Seebeck), que consisteix a escalfar un dels contactes alhora que es refreda l'altre mentre fa passar un corrent elèctric continu pel circuit, s'anomena efecte Peltier.
Tots dos efectes s'utilitzen en generadors termoelèctrics i frigorífics termoelèctrics. Per a més detalls vegeu aquí:Efectes termoelèctrics Seebeck, Peltier i Thomson i les seves aplicacions