القوة الدافعة الحرارية (Thermo-EMF) وتطبيقاتها في التكنولوجيا

Thermo-EMF هي قوة دافعة كهربائية تحدث في دائرة كهربائية تتكون من موصلات غير مستوية متصلة بالسلسلة.

أبسط دائرة تتكون من موصل 1 وموصلان متطابقان 2 ، يتم الحفاظ على الاتصالات بينهما عند درجات حرارة مختلفة T1 و T2 ، في الشكل.

نظرًا لاختلاف درجات الحرارة في نهايات السلك 1 ، فإن متوسط ​​الطاقة الحركية لحاملات الشحن بالقرب من الوصلة الساخنة أكبر من تلك الموجودة بالقرب من السلك البارد. تنتشر الناقلات من جهة اتصال ساخنة إلى جهة اتصال باردة ، وتكتسب الأخيرة إمكانية يتم تحديد علامتها من خلال علامة الناقلات. تحدث عملية مماثلة في فروع الجزء الثاني من السلسلة. الفرق بين هذه الإمكانات هو EMF الحراري.

في نفس درجة حرارة الأسلاك المعدنية الملامسة في دائرة مغلقة ، الاتصال بفرق الجهد عند الحدود بينهما ، لن ينتج أي تيار في الدائرة ، ولكنه يوازن فقط تدفقات الإلكترون الموجهة بشكل معاكس.

بحساب المجموع الجبري للاختلافات المحتملة بين جهات الاتصال ، من السهل أن نفهم أنه يتلاشى. لذلك ، في هذه الحالة لن يكون هناك EMF في الدائرة. ولكن ماذا لو كانت درجات حرارة التلامس مختلفة؟ افترض أن جهات الاتصال C و D في درجات حرارة مختلفة. ماذا بعد؟ لنفترض أولاً أن وظيفة عمل الإلكترونات من المعدن B أقل من وظيفة الشغل من المعدن A.

دعونا نلقي نظرة على هذا الوضع. دعنا نتلامس مع الحرارة D - ستبدأ الإلكترونات من المعدن B في الانتقال إلى المعدن A لأن فرق جهد التلامس في الواقع عند التقاطع D سيزداد بسبب تأثير الحرارة عليه. سيحدث هذا بسبب وجود إلكترونات أكثر نشاطًا في المعدن A بالقرب من التلامس D والآن سوف يندفعون إلى المركب B.

يبدأ التركيز المتزايد للإلكترونات بالقرب من المركب C حركتها من خلال التلامس C ، من المعدن A إلى المعدن B. هنا ، على طول المعدن B ، ستتحرك الإلكترونات لتلامس D. وإذا استمرت درجة حرارة المركب D في الارتفاع بالنسبة للتلامس C ، ثم في هذه الدائرة المغلقة ، سيتم الحفاظ على الحركة الاتجاهية للإلكترونات عكس اتجاه عقارب الساعة - ستظهر صورة لوجود EMF.

في مثل هذه الدائرة المغلقة المكونة من معادن غير متشابهة ، يُسمى EMF الناتج عن الاختلاف في درجات حرارة التلامس بالحرارة EMF أو القوة الكهروحرارية الحرارية.

يتناسب Thermo-EMF طرديًا مع اختلاف درجة الحرارة بين جهات الاتصال ويعتمد على نوع المعادن التي تشكل الدائرة. تُشتق الطاقة الكهربائية في مثل هذه الدائرة فعليًا من الطاقة الداخلية لمصدر الحرارة الذي يحافظ على اختلاف درجة الحرارة بين جهات الاتصال.بطبيعة الحال ، فإن المجالات الكهرومغناطيسية التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة صغيرة للغاية ، في المعادن يتم قياسها بالفولتات الدقيقة ، والحد الأقصى هو عشرات الميكروفولت ، لدرجة واحدة من الاختلاف في درجات حرارة التلامس.

بالنسبة لأشباه الموصلات ، يتضح أن EMF الحراري أكثر ، بالنسبة لها يصل إلى أجزاء من فولت لكل درجة اختلاف في درجة الحرارة ، لأن تركيز الإلكترونات في أشباه الموصلات نفسها يعتمد بشكل كبير على درجة حرارتها.

لقياس درجة الحرارة الإلكترونية ، استخدم المزدوجات الحرارية (المزدوجات الحرارية)العمل على مبدأ القياس الحراري EMF. تتكون المزدوجة الحرارية من معدنين غير متماثلين يتم لحام طرفيهما معًا. من خلال الحفاظ على فرق درجة الحرارة بين جهات الاتصال (الوصلة والنهايات الحرة) ، يتم قياس EMF الحراري ، وتلعب الأطراف الحرة دور جهة الاتصال الثانية هنا. دائرة القياس للجهاز متصلة بالأطراف.

يتم اختيار معادن مختلفة من المزدوجات الحرارية لنطاقات درجات حرارة مختلفة وبمساعدتها يتم قياس درجة الحرارة في العلوم والتكنولوجيا.

موازين الحرارة فائقة الدقة مصنوعة على أساس مزدوجات حرارية. بمساعدة المزدوجات الحرارية ، يمكن قياس درجات الحرارة المنخفضة جدًا والعالية جدًا بدقة عالية. علاوة على ذلك ، تعتمد دقة القياس في النهاية على دقة الفولتميتر الذي يقيس EMF الحراري.

يوضح الشكل مزدوجًا حراريًا مع تقاطعين. يتم غمر أحد الوصلات في الجليد الذائب ، ويتم تحديد درجة حرارة التقاطع الآخر باستخدام مقياس الفولتميتر بمقياس محسوب بالدرجات. لزيادة حساسية مقياس الحرارة هذا ، في بعض الأحيان يتم توصيل المزدوجات الحرارية بالبطارية. حتى التدفقات الضعيفة جدًا من الطاقة المشعة (على سبيل المثال من نجم بعيد) يمكن قياسها بهذه الطريقة.

بالنسبة للقياسات العملية ، غالبًا ما يتم استخدام الحديد - Constantan ، والنحاس - Constantan ، والكروميل - الألوميل ، وما إلى ذلك. أما بالنسبة لدرجات الحرارة المرتفعة ، فيلجأون إلى أبخرة البلاتين وسبائكه - إلى المواد المقاومة للحرارة.

تطبيق المزدوجات الحرارية مقبول على نطاق واسع في أنظمة التحكم الآلي في درجة الحرارة في العديد من الصناعات الحديثة لأن إشارة المزدوجة الحرارية كهربائية ويمكن تفسيرها بسهولة عن طريق الإلكترونيات التي تضبط قوة جهاز تسخين معين.

التأثير المعاكس لهذا التأثير الكهروحراري (يسمى تأثير سيبيك) ، والذي يتكون من تسخين أحد الملامسات مع تبريد الآخر في نفس الوقت أثناء تمرير تيار كهربائي مباشر عبر الدائرة ، يسمى تأثير بلتيير.

يستخدم كلا التأثيرين في المولدات الكهروحرارية والثلاجات الكهروحرارية لمزيد من التفاصيل انظر هنا:التأثيرات الكهروحرارية سيبيك ، بلتيير وطومسون وتطبيقاتها