Thermoelektromotorische Kraft (Thermo-EMF) und ihre Anwendung in der Technik
Thermo-EMF ist eine elektromotorische Kraft, die in einem Stromkreis auftritt, der aus in Reihe geschalteten ungleichmäßigen Leitern besteht.
Die einfachste Schaltung, bestehend aus einem Leiter 1 und zwei identischen Leitern 2, deren Kontakte auf unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2 gehalten werden, ist in der Abbildung dargestellt.
Aufgrund des Temperaturunterschieds an den Enden von Draht 1 ist die durchschnittliche kinetische Energie der Ladungsträger in der Nähe der heißen Verbindungsstelle größer als in der Nähe der kalten. Träger diffundieren von einem heißen Kontakt zu einem kalten, und dieser erhält ein Potential, dessen Vorzeichen durch das Vorzeichen der Träger bestimmt wird. Ein ähnlicher Prozess findet in den Zweigen des zweiten Teils der Kette statt. Der Unterschied zwischen diesen Potentialen ist die Thermo-EMK.
Bei gleicher Temperatur der in Kontakt stehenden Metalldrähte in einem geschlossenen Stromkreis, Kontaktpotentialdifferenz An den Grenzen zwischen ihnen wird kein Strom im Stromkreis erzeugt, sondern nur die entgegengesetzt gerichteten Elektronenflüsse ausgeglichen.
Wenn man die algebraische Summe der Potentialdifferenzen zwischen den Kontakten berechnet, ist es leicht zu verstehen, dass sie verschwindet. Daher gibt es in diesem Fall keine EMF im Stromkreis. Was aber, wenn die Kontakttemperaturen unterschiedlich sind? Nehmen Sie an, dass die Kontakte C und D unterschiedliche Temperaturen haben. Was dann? Nehmen wir zunächst an, dass die Austrittsarbeit der Elektronen von Metall B kleiner ist als die Austrittsarbeit von Metall A.
Schauen wir uns diese Situation an. Lassen Sie uns den Kontakt D erhitzen – die Elektronen von Metall B beginnen, auf Metall A zu übertragen, da tatsächlich die Kontaktpotentialdifferenz an Kontakt D aufgrund der Wärmeeinwirkung auf ihn zunimmt. Dies geschieht, weil in Metall A in der Nähe von Kontakt D mehr aktive Elektronen vorhanden sind und diese nun zu Verbindung B strömen.
Die erhöhte Konzentration von Elektronen in der Nähe von Verbindung C initiiert ihre Bewegung durch Kontakt C von Metall A zu Metall B. Hier bewegen sich die Elektronen entlang von Metall B zu Kontakt D. Und wenn die Temperatur von Verbindung D im Verhältnis zum Kontakt weiterhin erhöht ist C, dann bleibt in diesem geschlossenen Kreislauf die gerichtete Bewegung der Elektronen gegen den Uhrzeigersinn erhalten – es erscheint ein Bild der Anwesenheit eines EMF.
In einem solchen geschlossenen Stromkreis, der aus unterschiedlichen Metallen besteht, wird die EMK, die aus der Differenz der Kontakttemperaturen resultiert, Thermo-EMF oder thermoelektromotorische Kraft genannt.
Thermo-EMF ist direkt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontakten und hängt von der Art der Metalle ab, aus denen der Stromkreis besteht. Die elektrische Energie in einem solchen Stromkreis wird tatsächlich aus der internen Energie der Wärmequelle gewonnen, die den Temperaturunterschied zwischen den Kontakten aufrechterhält.Natürlich ist die mit dieser Methode erhaltene EMF extrem gering, bei Metallen wird sie in Mikrovolt gemessen, das Maximum liegt in mehreren zehn Mikrovolt, für einen Grad Unterschied der Kontakttemperaturen.
Bei Halbleitern fällt die Thermo-EMK größer aus, bei ihnen erreicht sie Teile eines Volt pro Grad Temperaturunterschied, da die Konzentration der Elektronen in den Halbleitern selbst maßgeblich von ihrer Temperatur abhängt.
Zur elektronischen Temperaturmessung verwenden Sie Thermoelemente (Thermoelemente)arbeitet nach dem Prinzip der Thermo-EMF-Messung. Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen, deren Enden miteinander verlötet sind. Durch die Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontakten (Verbindungsstelle und freien Enden) wird die Thermo-EMK gemessen. Die freien Enden übernehmen dabei die Rolle eines zweiten Kontakts. An den Enden wird der Messkreis des Gerätes angeschlossen.
Für unterschiedliche Temperaturbereiche werden unterschiedliche Metalle von Thermoelementen ausgewählt und mit ihrer Hilfe wird in Wissenschaft und Technik die Temperatur gemessen.
Hochpräzise Thermometer werden auf Basis von Thermoelementen hergestellt. Mit Hilfe von Thermoelementen können sowohl sehr niedrige als auch recht hohe Temperaturen mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Darüber hinaus hängt die Genauigkeit der Messung letztendlich von der Genauigkeit des Voltmeters ab, das die Thermo-EMF misst.
Die Abbildung zeigt ein Thermoelement mit zwei Anschlüssen. Eine Verbindungsstelle wird in den schmelzenden Schnee eingetaucht und die Temperatur der anderen Verbindungsstelle wird mit einem Voltmeter mit einer in Grad geeichten Skala bestimmt. Um die Empfindlichkeit eines solchen Thermometers zu erhöhen, werden manchmal Thermoelemente an eine Batterie angeschlossen. Selbst sehr schwache Strahlungsenergieflüsse (z. B. von einem entfernten Stern) können auf diese Weise gemessen werden.
Für praktische Messungen werden am häufigsten Eisen-Konstantan, Kupfer-Konstantan, Chromel-Alumel usw. verwendet. Bei hohen Temperaturen greifen sie auf Dämpfe mit Platin und seinen Legierungen zurück – auf feuerfeste Materialien.
Der Einsatz von Thermoelementen ist weithin akzeptiert in automatisierten Temperaturkontrollsystemen in vielen modernen Branchen, da das Thermoelementsignal elektrisch ist und leicht von der Elektronik interpretiert werden kann, die die Leistung eines bestimmten Heizgeräts anpasst.
Der zu diesem thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) entgegengesetzte Effekt, der darin besteht, einen der Kontakte zu erwärmen und gleichzeitig den anderen abzukühlen, während ein elektrischer Gleichstrom durch den Stromkreis geleitet wird, wird Peltier-Effekt genannt.
Beide Effekte werden in thermoelektrischen Generatoren und thermoelektrischen Kühlschränken genutzt. Weitere Details finden Sie hier:Thermoelektrische Effekte von Seebeck, Peltier und Thomson und ihre Anwendungen