Термо-ЭДС — электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных неоднородных проводников.
Простейшая цепь, состоящая из проводника 1 и двух одинаковых проводников 2, контакты между которыми поддерживаются при разных температурах Т1 и Т2, изображена на рисунке.
Из-за разности температур на концах проводника 1 средняя кинетическая энергия носителей заряда вблизи горячего спая оказывается больше, чем вблизи холодного. Носители диффундируют от горячего контакта к холодному и последний приобретает потенциал, знак которого определяется знаком носителей. Аналогичный процесс происходит и в ветвях 2-й части цепи. Разность этих потенциалов и есть термо-ЭДС.
При равной температуре контактирующих в замкнутой цепи металлических проводников, контактная разность потенциалов на границах между ними не создаст в цепи никакого тока, она лишь уравновесит противоположно направленные потоки электронов.
Вычислив алгебраическую сумму разностей потенциалов между контактами, легко понять, что она обращается в ноль. Поэтому в данном случае никакой ЭДС в цепи не будет. Но что если температуры контактов будут различаться? Скажем, контакты C и D окажутся при разных температурах. Что тогда? Прежде предположим, что работа выхода электронов из металла B меньше, чем работа выхода из металла A.
Рассмотрим эту ситуацию. Разогреем контакт D – электроны из металла B станут переходить в металл A, ведь фактически контактная разность потенциалов в месте соединения D увеличится за счет теплового воздействия на него. Это произойдет по той причине, что в металле A возле контакта D стало больше активных электронов, и теперь они устремятся в сторону соединения C.
Возросшая концентрация электронов возле соединения C инициирует их перемещение через контакт С, из металла A – в металл B. Здесь по металлу B электроны двинутся к контакту D. И если температуру соединения D продолжать поддерживать повышенной по отношению к контакту C, то в этой замкнутой цепи будет поддерживаться направленное перемещение электронов против часовой стрелки — возникнет картина наличия ЭДС.
В такой замкнутой цепи, составленной из разнородных металлов, ЭДС, возникающая из-за различия температур контактов, называется термо-ЭДС или термоэлектродвижущей силой.
Термо-ЭДС прямопропорциональна разности температур двух контактов и зависит от рода металлов, составляющих цепь. Электрическая энергия в такой цепи получается, по сути, из внутренней энергии источника тепла, который поддерживает разность температур контактов. Разумеется, получаемая данным путем ЭДС крайне мала, в металлах она измеряется микровольтами, максимум — десятками микровольт, на один градус различия температур контактов.
Для полупроводников термо-ЭДС получается больше, для них она достигает долей вольта на градус разности температур, потому что концентрация электронов в полупроводниках сама по себе существенно зависит от их температуры.
Для электронного измерения температуры применяют термопары (термоэлементы), работающие на принципе измерения термо-ЭДС. Термопара состоит из двух разнородных металлов, концы которых спаяны. Поддерживая разность температур двух контактов (спая и свободных концов), измеряют термо-ЭДС. Свободные концы играют здесь роль второго контакта. К концам присоединена измерительная цепь прибора.
Для различных температурных интервалов подбирают различные металлы термопар, и с их помощью в науке и технике измеряют температуру.
На основе термопар делают сверхточные термометры. С помощью термопар можно измерять как очень низкие, так и достаточно высокие температуры с высокой точностью. Причем точность измерений зависит в конечном итоге от точности вольтметра, измеряющего термо-ЭДС.
На рисунке изображена термопара из двух спаев. Один спай опускается в тающий снег, а температуру другого спая определяют по вольтметру с отградуированной в градусах шкалой. Чтобы повысить чувствительность такого термометра, иногда термопары соединяют в батарею. Так можно измерить даже очень слабые потоки лучистой энергии (например от далекой звезды).
Для практических измерений чаще всего используют пары железо-константан, медь-константан, хромель-алюмель и т. д. Если речь заходит о высоких температурах, то прибегают к парам с платиной и ее сплавами — к тугоплавким материалам.
Применение термопар широко внедрено в системы автоматизированного регулирования температуры на многих современных производствах, так как сигнал термопары является электрическим, и может быть легко интерпретирован электроникой, регулирующей мощность того или иного нагревательного прибора.
Эффект, обратный этому термоэлектрическому эффекту (называется эффектом Зеебека), состоящий в нагреве одного из контактов с одновременным охлаждением другого при пропускании через цепь постоянного электрического тока, называется эффектом Пельтье.
Оба эффекта используются в термоэлектрических генераторах и термоэлектрических холодильниках. Подоробнее об этом смотрите здесь: Термоэлектрические эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона и их применение
Андрей Повный