כוח תרמו-אלקטרו-מוטיבציה (תרמו-EMF) ויישומו בטכנולוגיה

Thermo-EMF הוא כוח אלקטרו-מוטורי המתרחש במעגל חשמלי המורכב ממוליכים לא אחידים המחוברים בסדרה.

המעגל הפשוט ביותר המורכב ממנצח 1 ושני מוליכים זהים 2, שהמגעים ביניהם נשמרים בטמפרטורות שונות T1 ו-T2, מוצג באיור.

בשל הפרש הטמפרטורות בקצוות חוט 1, האנרגיה הקינטית הממוצעת של נושאי מטען ליד הצומת החמה מתבררת כגדולה יותר מאשר ליד הקרה. נשאים מתפזרים ממגע חם למגע קר, והאחרון מקבל פוטנציאל שהסימן שלו נקבע לפי סימן הנשאים. תהליך דומה מתרחש בסניפי החלק השני של הרשת. ההבדל בין הפוטנציאלים הללו הוא התרמו-EMF.

באותה טמפרטורה של חוטי מתכת במגע במעגל סגור, הבדל פוטנציאל מגע בגבולות ביניהם, הוא לא יצור שום זרם במעגל, אלא רק יאזן את זרימות האלקטרונים המכוונות הפוכה.

בחישוב הסכום האלגברי של הבדלי הפוטנציאל בין המגעים, קל להבין שהוא נעלם. לכן, במקרה זה לא יהיה EMF במעגל. אבל מה אם טמפרטורות המגע שונות? נניח שהמגעים C ו-D נמצאים בטמפרטורות שונות. מה אז? תחילה נניח שפונקציית העבודה של אלקטרונים ממתכת B קטנה מתפקוד העבודה ממתכת A.

בואו נסתכל על המצב הזה. בוא נחמם מגע D — האלקטרונים ממתכת B יתחילו לעבור למתכת A כי למעשה הפרש פוטנציאל המגע בצומת D יגדל עקב השפעת החום עליה. זה יקרה בגלל שיש יותר אלקטרונים פעילים במתכת A ליד מגע D ועכשיו הם ימהרו למתחם B.

הריכוז המוגבר של אלקטרונים ליד תרכובת C מתחיל את תנועתם דרך מגע C, ממתכת A למתכת B. כאן, לאורך מתכת B, האלקטרונים יעברו למגע D. ואם הטמפרטורה של תרכובת D תמשיך לעלות ביחס למגע C, אז במעגל סגור זה התנועה הכיוונית של אלקטרונים תישמר נגד כיוון השעון - תופיע תמונה של נוכחות EMF.

במעגל סגור כזה המורכב ממתכות לא דומות, ה-EMF הנובע מההבדל בטמפרטורות המגע נקרא תרמו-EMF או כוח תרמו-אלקטרו-מוטיבי.

Thermo-EMF עומד ביחס ישר להפרש הטמפרטורה בין שני המגעים ותלוי בסוג המתכות המרכיבות את המעגל. האנרגיה החשמלית במעגל כזה נגזרת למעשה מהאנרגיה הפנימית של מקור החום השומרת על הפרש הטמפרטורה בין המגעים.כמובן שה-EMF המתקבל בשיטה זו הוא קטן ביותר, במתכות הוא נמדד במיקרו-וולט, המקסימום הוא בעשרות מיקרו-וולט, עבור מעלה אחת של הבדל בטמפרטורות מגע.

עבור מוליכים למחצה, התרמו-EMF מתברר יותר, עבורם הוא מגיע לחלקים של וולט לכל דרגת הפרש טמפרטורה, שכן ריכוז האלקטרונים במוליכים למחצה עצמם תלוי באופן משמעותי בטמפרטורה שלהם.

למדידת טמפרטורה אלקטרונית, השתמש צמדים תרמיים (צמדים תרמיים)עובדים על העיקרון של מדידת תרמו-EMF. צמד תרמי מורכב משתי מתכות שונות שקצותיהן מולחמות זו לזו. ע"י שמירה על הפרש הטמפרטורה בין שני המגעים (הצומת והקצוות החופשיים), נמדד התרמו-EMF. הקצוות החופשיים ממלאים כאן תפקיד של מגע שני. מעגל המדידה של המכשיר מחובר לקצוות.

מתכות שונות של צמדים תרמיים נבחרות לטווחי טמפרטורות שונים ובעזרתן נמדדת הטמפרטורה במדע ובטכנולוגיה.

מדי חום דיוק במיוחד מיוצרים על בסיס צמדים תרמיים. בעזרת צמדים תרמיים ניתן למדוד ברמת דיוק גבוהה גם טמפרטורות נמוכות מאוד וגם גבוהות למדי. יתר על כן, הדיוק של המדידה תלוי בסופו של דבר בדיוק של מד המתח המודד את התרמו-EMF.

האיור מציג צמד תרמי עם שני צמתים. צומת אחד טובל בשלג הנמס, והטמפרטורה של הצומת השני נקבעת באמצעות מד מתח בעל סולם מכויל במעלות. כדי להגביר את הרגישות של מדחום כזה, לפעמים מחברים צמדים תרמיים לסוללה. אפילו שטפים חלשים מאוד של אנרגיית קרינה (למשל מכוכב מרוחק) ניתן למדוד בדרך זו.

למדידות מעשיות משתמשים לרוב בברזל-קונסטנטן, נחושת-קונסטנטן, כרומל-אלומל וכו'. באשר לטמפרטורות גבוהות, הם פונים לאדים עם פלטינה וסגסוגות שלה - לחומרים עקשן.

היישום של צמדים תרמיים מקובל באופן נרחב במערכות אוטומטיות לבקרת טמפרטורה בתעשיות מודרניות רבות מכיוון שהאות של הצמד התרמי הוא חשמלי וניתן לפרש אותו בקלות על ידי אלקטרוניקה המתאימה את העוצמה של מכשיר חימום מסוים.

האפקט ההפוך לאפקט תרמו-אלקטרי זה (המכונה אפקט Seebeck), המורכב מחימום אחד מהמגעים ובו זמנית קירור השני תוך העברת זרם חשמלי ישר דרך המעגל, נקרא אפקט פלטייר.

שני האפקטים משמשים בגנרטורים תרמו-אלקטריים ובמקררים תרמו-אלקטריים. לפרטים נוספים ראה כאן:אפקטים תרמו-אלקטריים של Seebeck, Peltier ו-Thomson והיישומים שלהם