Mi az a hőelem és hogyan működik?

A hőelemek olyan jelenség miatt léteznek, mint a kontaktpotenciál-különbség. Ha két különböző szilárd vezetőt vagy félvezetőt szoros érintkezésbe hoznak egymással, akkor az érintkezés helyének közelében külön elektromos töltések alakulnak ki. Ebben az esetben ezeknek a vezetékeknek a külső végén potenciálkülönbség lép fel. Ez a potenciálkülönbség megegyezik az egyes fémek munkafunkciójának különbségével, elosztva az elektron töltésével

Nyilvánvaló, hogy ha egy ilyen párt egy gyűrűbe zár, akkor az így kapott EMF nulla lesz, de ha egyrészről továbbra is nyitva hagyja, akkor valódi EMF lesz, a tizedfoltoktól a voltos egységekig, attól függően, hogy milyen ez az anyagokra vonatkozik.

Természetesen nem lehet mérni az érintkezőpotenciál különbséget voltmérővel, azonban ez az áram-feszültség karakterisztikán nyilvánul meg, például tranzisztorban és a p-n csomópont diódáján.

A lényeg az, hogy amikor például két fém érintkezésbe kerül, akkor a rendszer kikerül az egyensúlyból, mivel e két fém kémiai potenciálja nem egyenlő egymással, ennek eredményeként az elektronok energiájuk csökkenése felé diffundálnak, ami viszont töltés és az érintkező fémek elektromos potenciálja. Tehát a közvetlen érintkezésű régióban megkezdődik az elektromos mező növekedése, és ennek eredményeként megvan az, ami megvan.

Ha most újra figyelembe vesszük a különböző fémek két vezetőjét, csak egy gyűrűben zárva, amikor a zárt körben az összes emf nullává válik, akkor két érintkezési helyet kapunk. Ezeket a helyeket kereszteződéseknek nevezzük.

Tehát két különböző vezetéknek két csomópontja van. Mi lenne, ha megpróbálja melegíteni az egyik csomópontot, és a másodikot szobahőmérsékleten hagyja? Nyilvánvaló, hogy mivel a csatlakoztatott fémek különböznek, és az egyes csatlakozási pontokban különbség van, a csomópontok eltérő hőmérsékleti eltéréseket mutatnak az EMF eltérésein.

A kísérlet azt bizonyítja, hogy a csomópontok közötti potenciális különbség arányos lesz azok hőmérsékleti különbségével, így megadható az arányosság koefficiense, amelyet termo-EMF-nek hívnak. Különböző hőelemek esetében a hő-EMF eltérő lesz.

Ha a feszültséget egy ilyen gyűrűvel mérjük, akkor egy bizonyos hőmérsékleti tartományban ez szinte szigorúan arányos lesz a csomópontok hőmérsékleti különbségével. És még akkor is, ha csak egy kereszteződést hagy (lásd az ábrát), és csak felmelegíti, és megméri a feszültséget az ugyanazon szobahőmérsékleten elhelyezkedő két vég között, akkor az EMF nagyon egyértelműen függhet a jelenlegi keresztezési hőmérséklettől. Így működnek a hőelemek.

A leírt jelenség a termoelektromosra vonatkozik, és maga a hatást, amelynek alapján az összes hőelem működik, nevezzük Seebeck-effektus, felfedezője - Thomas Seebeck tiszteletére. Ma találkozhat ipari hőelemekkel, amelyekben - az előírt hőmérsékleti tartománytól függően - az elektródok speciálisan megválasztott ötvözetekből készülnek.

Például a kromelből és az alumíniumötvözetekből készült hőelemek hőemf-együtthatója 40 mikrov / ° C, és 0 és + 1100 ° C közötti hőmérséklet mérésére szolgálnak. Egy pár réz-konstanta, amely annyira népszerű demonstrációs eszköz, lehetővé teszi -185 és + 300 ° C közötti hőmérséklet mérését.

Termo-EMF erősen függ a fajlagos hőmérsékleti különbségtől, ezért paramétereinek értékeléséhez célszerű a táblázatot használni, például 0 ° C-os hideg csomóponti hőmérsékleten, 100 fokos hőmérsékleti különbség mellett, a réz-konstans pár potenciális különbsége körülbelül 4,25 mV.