Forza termoelettromotrice (termo-EMF) e sua applicazione nella tecnologia

Thermo-EMF è una forza elettromotrice che si verifica in un circuito elettrico costituito da conduttori irregolari collegati in serie.

Nella figura è mostrato il circuito più semplice costituito da un conduttore 1 e due conduttori identici 2, i cui contatti sono mantenuti a temperature diverse T1 e T2.

A causa della differenza di temperatura ai capi del filo 1, l'energia cinetica media dei portatori di carica in prossimità della giunzione calda risulta essere maggiore che in prossimità di quella fredda. I portatori diffondono da un contatto caldo a uno freddo, e quest'ultimo acquista un potenziale il cui segno è determinato dal segno dei portatori. Un processo simile avviene nelle filiali della seconda parte della filiera. La differenza tra questi potenziali è il termo-EMF.

Alla stessa temperatura dei fili metallici a contatto in un circuito chiuso, differenza di potenziale di contatto ai confini tra loro, non creerà alcuna corrente nel circuito, ma bilancerà solo i flussi di elettroni diretti in modo opposto.

Calcolando la somma algebrica delle differenze di potenziale tra i contatti, è facile capire che essa si annulla. Pertanto, in questo caso non ci sarà EMF nel circuito. Ma cosa succede se le temperature di contatto sono diverse? Supponiamo che i contatti C e D siano a temperature diverse. Cosa poi? Supponiamo prima che la funzione lavoro degli elettroni del metallo B sia minore della funzione lavoro del metallo A.

Diamo un'occhiata a questa situazione. Riscaldiamo il contatto D: gli elettroni dal metallo B inizieranno a trasferirsi al metallo A perché in realtà la differenza di potenziale di contatto alla giunzione D aumenterà a causa dell'effetto del calore su di esso. Ciò accadrà perché ci sono più elettroni attivi nel metallo A vicino al contatto D e ora si precipiteranno verso il composto B.

L'aumento della concentrazione di elettroni vicino al composto C avvia il loro movimento attraverso il contatto C, dal metallo A al metallo B. Qui, lungo il metallo B, gli elettroni si sposteranno al contatto D. E se la temperatura del composto D continua ad essere elevata rispetto al contatto C, quindi in questo circuito chiuso il movimento direzionale degli elettroni verrà mantenuto in senso antiorario: apparirà un'immagine della presenza di un campo elettromagnetico.

In un tale circuito chiuso composto da metalli dissimili, l'EMF risultante dalla differenza nelle temperature di contatto è chiamata termo-EMF o forza termoelettromotrice.

La termo-EMF è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra i due contatti e dipende dal tipo di metalli che compongono il circuito. L'energia elettrica in un tale circuito è effettivamente derivata dall'energia interna della sorgente di calore che mantiene la differenza di temperatura tra i contatti.Ovviamente l'EMF ottenuto con questo metodo è estremamente piccolo, nei metalli si misura in microvolt, il massimo è in decine di microvolt, per un grado di differenza nelle temperature di contatto.

Per i semiconduttori, il termo-EMF risulta essere maggiore, per loro raggiunge parti di volt per grado di differenza di temperatura, poiché la concentrazione di elettroni nei semiconduttori stessi dipende in modo significativo dalla loro temperatura.

Per la misurazione elettronica della temperatura, utilizzare termocoppie (termocoppie)lavorando sul principio della misurazione termo-EMF. Una termocoppia è costituita da due metalli diversi le cui estremità sono saldate insieme. Mantenendo la differenza di temperatura tra i due contatti (la giunzione e le estremità libere), viene misurata la termo-EMF, dove le estremità libere svolgono il ruolo di un secondo contatto. Il circuito di misurazione del dispositivo è collegato alle estremità.

Diversi metalli delle termocoppie vengono scelti per diversi intervalli di temperatura e con il loro aiuto la temperatura viene misurata nella scienza e nella tecnologia.

I termometri ultraprecisi sono realizzati sulla base di termocoppie. Con l'aiuto delle termocoppie, è possibile misurare con elevata precisione temperature sia molto basse che piuttosto elevate. Inoltre, l'accuratezza della misurazione dipende in ultima analisi dall'accuratezza del voltmetro che misura la termo-EMF.

La figura mostra una termocoppia con due giunzioni. Una giunzione è immersa nella neve che si scioglie, e la temperatura dell'altra giunzione è determinata mediante un voltmetro con scala tarata in gradi. Per aumentare la sensibilità di un tale termometro, a volte le termocoppie sono collegate a una batteria. Anche flussi molto deboli di energia radiante (ad esempio da una stella lontana) possono essere misurati in questo modo.

Per misurazioni pratiche, vengono spesso utilizzati ferro-costantana, rame-costantana, cromol-alumel, ecc. Per quanto riguarda le alte temperature, ricorrono ai vapori con platino e sue leghe - a materiali refrattari.

L'applicazione delle termocoppie è ampiamente accettata nei sistemi di controllo automatico della temperatura in molte industrie moderne perché il segnale della termocoppia è elettrico e può essere facilmente interpretato dall'elettronica che regola la potenza di un particolare dispositivo di riscaldamento.

L'effetto opposto a questo effetto termoelettrico (chiamato effetto Seebeck), che consiste nel riscaldare uno dei contatti raffreddando contemporaneamente l'altro facendo passare una corrente elettrica continua attraverso il circuito, è chiamato effetto Peltier.

Entrambi gli effetti sono utilizzati nei generatori termoelettrici e nei frigoriferi termoelettrici.Per maggiori dettagli vedere qui:Effetti termoelettrici di Seebeck, Peltier e Thomson e loro applicazioni