Co to jest termopara i jak działa

Termopary istnieją z powodu takiego zjawiska, jak różnica potencjałów styków. Jeśli dwa różne stałe przewodniki lub półprzewodniki zostaną doprowadzone do bliskiego kontaktu, wówczas oddzielone ładunki elektryczne powstają w pobliżu miejsca ich kontaktu. W takim przypadku na zewnętrznych końcach tych przewodów wystąpi różnica potencjałów. Ta różnica potencjałów będzie równa różnicy funkcji pracy dla każdego metalu podzielonej przez ładunek elektronów

Oczywiste jest, że jeśli zamkniesz taką parę w pierścieniu, wynikowy EMF będzie wynosił zero, ale jeśli z jednej strony pozostanie otwarty, to będzie istniał prawdziwy EMF, od dziesiątych części wolta do jednostek woltów, w zależności od tego, co dotyczy to materiałów.

Oczywiście nie jest możliwe zmierzenie różnicy potencjałów styków za pomocą woltomierza, jednak przejawi się to na charakterystyce prądowo-napięciowej, na przykład przejawi się w tranzystorze i w diodzie na złączu p-n.

Najważniejsze jest to, że gdy na przykład stykają się dwa metale, układ traci równowagę, ponieważ potencjały chemiczne tych dwóch metali nie są sobie równe, w wyniku czego elektrony dyfundują w kierunku zmniejszenia ich energii, co z kolei prowadzi do zmiany ładunku i potencjał elektryczny kontaktowanych metali. W regionie bliskiego kontaktu zaczyna się wzrost pola elektrycznego, w wyniku czego mamy to, co mamy.

Jeśli teraz ponownie rozważymy te dwa przewodniki z różnych metali, zamknięte tylko w pierścieniu, gdy całkowity emf w obwodzie zamkniętym osiągnie zero, otrzymamy dwa miejsca styku. Nazwiemy te miejsca skrzyżowaniami.

Istnieją więc dwa połączenia dwóch różnych przewodników. Co się stanie, jeśli spróbujesz rozgrzać jedno ze skrzyżowań i pozostawić drugie w temperaturze pokojowej? Oczywiście, ponieważ połączone metale są różne i istnieje różnica potencjałów kontaktowych w każdym złączu, złącza będą doświadczać różnych odchyleń pola elektromagnetycznego w różnych temperaturach.

Eksperyment dowodzi, że różnica potencjałów między skrzyżowaniami będzie proporcjonalna do różnicy ich temperatur, dzięki czemu można wprowadzić współczynnik proporcjonalności, który nazywa się termo-EMF. W przypadku różnych termopar termo-EMF będzie inny.

Jeśli napięcie jest mierzone w kontekście takiego pierścienia, to w pewnym zakresie temperatur okaże się prawie ściśle proporcjonalne do różnicy temperatur na skrzyżowaniach. I nawet jeśli zostawisz tylko jedno złącze (jak na rysunku) i tylko je podgrzejesz i zmierzysz napięcie między dwoma końcami znajdującymi się w tej samej temperaturze pokojowej, nadal możesz znaleźć bardzo wyraźną zależność pola elektromagnetycznego od bieżącej temperatury złącza. Tak działają termopary.

Opisane zjawisko dotyczy termoelektryczności, a sam efekt, na podstawie którego działają wszystkie termopary, nazywany jest Efekt Seebecka, na cześć jego odkrywcy - Thomasa Seebecka. Dziś można spotkać termopary przemysłowe, w których, w zależności od wymaganego zakresu temperatur, elektrody są wykonane ze specjalnie dobranych stopów.

Na przykład termopary wykonane ze stopów chromu i ałunu mają współczynnik emisji cieplnej 40 mikrowoltów na ° C i są przeznaczone do pomiaru temperatur w zakresie od 0 do + 1100 ° C. Para miedzi-constantan, tak popularna jako narzędzie demonstracyjne, pozwala mierzyć temperatury od -185 do + 300 ° C.

Jego termo-EMF silnie zależy od konkretnej różnicy temperatur, dlatego do oceny jego parametrów wygodnie jest użyć tabeli, na przykład przy temperaturze zimnego złącza 0 ° C, przy różnicy temperatur 100 stopni, różnica potencjałów pary miedzi-stałej wynosi około 4,25 mV.