La force thermoélectromotrice (thermo-EMF) et son application en technologie

Thermo-EMF est une force électromotrice se produisant dans un circuit électrique composé de conducteurs irréguliers connectés en série.

Le circuit le plus simple constitué d'un conducteur 1 et de deux conducteurs identiques 2, dont les contacts sont maintenus à des températures différentes T1 et T2, est représenté sur la figure.

En raison de la différence de température aux extrémités du fil 1, l'énergie cinétique moyenne des porteurs de charge à proximité de la jonction chaude s'avère supérieure à celle à proximité de la jonction froide. Les porteurs diffusent d'un contact chaud vers un contact froid, et ce dernier acquiert un potentiel dont le signe est déterminé par le signe des porteurs. Un processus similaire a lieu dans les branches de la deuxième partie de la chaîne. La différence entre ces potentiels est la thermo-EMF.

A la même température des fils métalliques en contact en circuit fermé, différence de potentiel de contact aux frontières entre eux, il ne créera aucun courant dans le circuit, mais équilibrera seulement les flux d'électrons de direction opposée.

En calculant la somme algébrique des différences de potentiel entre les contacts, il est facile de comprendre qu'elle s'annule. Par conséquent, dans ce cas, il n'y aura pas d'EMF dans le circuit. Mais que se passe-t-il si les températures de contact sont différentes ? Supposons que les contacts C et D sont à des températures différentes. Quoi alors ? Supposons d'abord que le travail de sortie des électrons du métal B est inférieur au travail de sortie du métal A.

Regardons cette situation. Chauffons le contact D - les électrons du métal B commenceront à être transférés au métal A car, en fait, la différence de potentiel de contact à la jonction D augmentera en raison de l'effet de la chaleur sur celle-ci. Cela se produira parce qu'il y a plus d'électrons actifs dans le métal A près du contact D et maintenant ils se précipiteront vers le composé B.

La concentration accrue d'électrons près du composé C initie leur mouvement à travers le contact C, du métal A au métal B. Ici, le long du métal B, les électrons se déplaceront vers le contact D. Et si la température du composé D continue d'être élevée par rapport au contact C, alors dans ce circuit fermé, le mouvement directionnel des électrons sera maintenu dans le sens inverse des aiguilles d'une montre - une image de la présence d'un EMF apparaîtra.

Dans un tel circuit fermé composé de métaux dissemblables, la FEM résultant de la différence de températures de contact est appelée thermo-EMF ou force thermoélectromotrice.

Thermo-EMF est directement proportionnel à la différence de température entre les deux contacts et dépend du type de métaux qui composent le circuit. L'énergie électrique dans un tel circuit est en fait dérivée de l'énergie interne de la source de chaleur qui maintient la différence de température entre les contacts.Bien sûr, la FEM obtenue par cette méthode est extrêmement faible, dans les métaux elle est mesurée en microvolts, le maximum est en dizaines de microvolts, pour un degré de différence de températures de contact.

Pour les semi-conducteurs, le thermo-EMF s'avère être plus, pour eux, il atteint des parties de volt par degré de différence de température, car la concentration d'électrons dans les semi-conducteurs eux-mêmes dépend de manière significative de leur température.

Pour la mesure électronique de la température, utilisez thermocouples (thermocouples)travaillant sur le principe de la mesure thermo-EMF. Un thermocouple se compose de deux métaux dissemblables dont les extrémités sont soudées ensemble. En maintenant la différence de température entre les deux contacts (la jonction et les extrémités libres), on mesure la thermo-EMF, les extrémités libres jouant ici le rôle d'un second contact. Le circuit de mesure de l'appareil est connecté aux extrémités.

Différents métaux de thermocouples sont choisis pour différentes plages de température et avec leur aide, la température est mesurée en science et technologie.

Les thermomètres ultra-précis sont fabriqués à base de thermocouples. À l'aide de thermocouples, des températures très basses et assez élevées peuvent être mesurées avec une grande précision. De plus, la précision de la mesure dépend finalement de la précision du voltmètre qui mesure la thermo-EMF.

La figure montre un thermocouple à deux jonctions. Une jonction est immergée dans la fonte des neiges et la température de l'autre jonction est déterminée à l'aide d'un voltmètre avec une échelle calibrée en degrés. Pour augmenter la sensibilité d'un tel thermomètre, des thermocouples sont parfois connectés à une batterie. Même de très faibles flux d'énergie rayonnante (par exemple d'une étoile lointaine) peuvent être mesurés de cette manière.

Pour les mesures pratiques, le fer-constantan, le cuivre-constantan, le chromel-alumel, etc. sont le plus souvent utilisés. Quant aux hautes températures, elles recourent aux vapeurs avec le platine et ses alliages - aux matériaux réfractaires.

L'application des thermocouples est largement acceptée dans les systèmes de contrôle de température automatisés dans de nombreuses industries modernes car le signal du thermocouple est électrique et peut être facilement interprété par l'électronique qui ajuste la puissance d'un appareil de chauffage particulier.

L'effet inverse de cet effet thermoélectrique (appelé effet Seebeck), consistant à chauffer l'un des contacts tout en refroidissant simultanément l'autre tout en faisant passer un courant électrique continu dans le circuit, est appelé effet Peltier.

Les deux effets sont utilisés dans les générateurs thermoélectriques et les réfrigérateurs thermoélectriques. Pour plus de détails, voir ici :Effets thermoélectriques Seebeck, Peltier et Thomson et leurs applications