แรงเทอร์โมอิเล็กโทรโมทีฟ (เทอร์โมอีเอ็มเอฟ) และการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยี

Thermo-EMF เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในวงจรไฟฟ้าที่ประกอบด้วยตัวนำที่ไม่สม่ำเสมอที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม

วงจรที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยตัวนำ 1 และตัวนำที่เหมือนกันสองตัว 2 ซึ่งหน้าสัมผัสระหว่างนั้นจะถูกรักษาที่อุณหภูมิต่างกัน T1 และ T2 แสดงไว้ในรูป

เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลายสาย 1 พลังงานจลน์เฉลี่ยของตัวพาประจุใกล้จุดต่อที่ร้อนจึงมีค่ามากกว่าใกล้กับส่วนที่เย็น พาหะกระจายจากการสัมผัสที่ร้อนไปสู่ความเย็น และตัวหลังจะได้รับศักยภาพซึ่งสัญญาณถูกกำหนดโดยสัญญาณของพาหะ กระบวนการที่คล้ายกันเกิดขึ้นในสาขาของส่วนที่สองของห่วงโซ่ ความแตกต่างระหว่างศักยภาพเหล่านี้คือเทอร์โม-EMF

ที่อุณหภูมิเดียวกันของสายโลหะที่สัมผัสกันในวงจรปิด ติดต่อความต่างศักย์ ที่รอยต่อระหว่างมันจะไม่สร้างกระแสใด ๆ ในวงจร แต่จะปรับสมดุลการไหลของอิเล็กตรอนที่ตรงข้ามกันเท่านั้น

การคำนวณผลรวมเชิงพีชคณิตของความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการสัมผัส เป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจว่ามันหายไป ดังนั้นในกรณีนี้จะไม่มี EMF ในวงจร แต่ถ้าอุณหภูมิสัมผัสต่างกันล่ะ? สมมติว่าหน้าสัมผัส C และ D อยู่ที่อุณหภูมิต่างกัน แล้วไง? ให้เราสันนิษฐานไว้ก่อนว่าฟังก์ชันการทำงานของอิเล็กตรอนจากโลหะ B น้อยกว่าฟังก์ชันการทำงานของโลหะ A

ลองดูสถานการณ์นี้ มาสัมผัสความร้อนกันเถอะ — อิเล็กตรอนจากโลหะ B จะเริ่มถ่ายโอนไปยังโลหะ A เพราะจริง ๆ แล้วความต่างศักย์สัมผัสที่จุดเชื่อมต่อ D จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากผลกระทบจากความร้อนที่เกิดขึ้น สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเพราะมีอิเลคตรอนที่แอคทีฟมากกว่าในโลหะ A ใกล้กับหน้าสัมผัส D และตอนนี้พวกมันจะรีบไปรวมตัวกับ B

ความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นของอิเล็กตรอนใกล้กับสารประกอบ C เริ่มการเคลื่อนที่ผ่านการสัมผัส C จากโลหะ A ไปยังโลหะ B ที่นี่ ตามโลหะ B อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปสัมผัส D และถ้าอุณหภูมิของสารประกอบ D ยังคงสูงขึ้นเมื่อเทียบกับการสัมผัส C จากนั้นในวงจรปิดนี้ ทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะคงอยู่ทวนเข็มนาฬิกา — ภาพของ EMF จะปรากฏขึ้น

ในวงจรปิดที่ประกอบด้วยโลหะต่างชนิดกัน EMF ที่เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิสัมผัสเรียกว่า เทอร์โม-EMF หรือ แรงเทอร์โมอิเล็กโทรโมทีฟ

Thermo-EMF เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหน้าสัมผัสทั้งสอง และขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะที่ประกอบเป็นวงจร พลังงานไฟฟ้าในวงจรดังกล่าวได้มาจากพลังงานภายในของแหล่งความร้อนซึ่งรักษาความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหน้าสัมผัสแน่นอน EMF ที่ได้จากวิธีนี้มีขนาดเล็กมากในโลหะจะวัดเป็นไมโครโวลต์ค่าสูงสุดคือหลายสิบไมโครโวลต์สำหรับอุณหภูมิสัมผัสที่แตกต่างกันหนึ่งระดับ

สำหรับเซมิคอนดักเตอร์นั้นเทอร์โม-EMF จะมีค่ามากกว่าสำหรับพวกมันถึงส่วนของโวลต์ต่อระดับความแตกต่างของอุณหภูมิเนื่องจากความเข้มข้นของอิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์นั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมีนัยสำคัญ

สำหรับการวัดอุณหภูมิแบบอิเล็กทรอนิกส์ ให้ใช้ เทอร์โมคัปเปิล (เทอร์โมคัปเปิล)ทำงานบนหลักการวัดค่าเทอร์โม-อีเอ็มเอฟ เทอร์โมคัปเปิลประกอบด้วยโลหะสองชนิดที่ไม่เหมือนกันซึ่งปลายจะบัดกรีเข้าด้วยกัน โดยรักษาความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหน้าสัมผัสทั้งสอง (ทางแยก และปลายอิสระ) วัดเทอร์โม-EMF ปลายฟรี ทำหน้าที่เป็นหน้าสัมผัสที่สองที่นี่ วงจรการวัดของอุปกรณ์เชื่อมต่อกับปลาย

โลหะที่แตกต่างกันของเทอร์โมคัปเปิลถูกเลือกสำหรับช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกัน และด้วยความช่วยเหลือ อุณหภูมิจะถูกวัดในทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เทอร์โมมิเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงผลิตขึ้นจากเทอร์โมคัปเปิล ด้วยความช่วยเหลือของเทอร์โมคัปเปิล ทำให้สามารถวัดอุณหภูมิทั้งที่ต่ำมากและค่อนข้างสูงได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ ความแม่นยำของการวัดในท้ายที่สุดจะขึ้นอยู่กับความแม่นยำของโวลต์มิเตอร์ที่วัดเทอร์โม-EMF

รูปแสดงเทอร์โมคัปเปิลที่มีจุดเชื่อมต่อสองจุด ทางแยกหนึ่งจุ่มอยู่ในหิมะที่กำลังละลาย และอุณหภูมิของทางแยกอีกทางหนึ่งจะถูกกำหนดโดยใช้โวลต์มิเตอร์ที่มีมาตราส่วนปรับเทียบเป็นองศา เพื่อเพิ่มความไวของเทอร์โมมิเตอร์ บางครั้งเทอร์โมคัปเปิลจะเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ แม้แต่ฟลักซ์ของพลังงานการแผ่รังสีที่อ่อนแอมาก (เช่น จากดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกล) ก็สามารถวัดได้ด้วยวิธีนี้

สำหรับการวัดภาคปฏิบัติ มักใช้เหล็ก-คอนสแตนแทน ทองแดง-คอนสแตนแทน โครเมล-อะลูเมล ฯลฯ สำหรับอุณหภูมิสูง พวกเขาหันไปใช้ไอระเหยของแพลทินัมและโลหะผสมกับวัสดุทนไฟ

การประยุกต์ใช้เทอร์โมคัปเปิลเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวาง ในระบบควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติ ในอุตสาหกรรมสมัยใหม่หลายแห่ง เนื่องจากสัญญาณของเทอร์โมคัปเปิลเป็นสัญญาณไฟฟ้าและสามารถตีความได้ง่ายด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ปรับกำลังของอุปกรณ์ทำความร้อนเฉพาะ

ผลที่ตรงกันข้ามกับผลเทอร์โมอิเล็กตริกนี้ (เรียกว่าผล Seebeck) ซึ่งประกอบด้วยการให้ความร้อนแก่หน้าสัมผัสอันหนึ่งในขณะที่ทำให้ส่วนอื่นเย็นลงพร้อม ๆ กันในขณะที่ส่งกระแสไฟฟ้าตรงผ่านวงจรเรียกว่าผลเพลเทียร์

เอฟเฟ็กต์ทั้งสองใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริกและตู้เย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมดูที่นี่:Seebeck, Peltier และ Thomson เทอร์โมอิเล็กทริกเอฟเฟกต์และการใช้งาน