Was ist ein Thermoelement und wie funktioniert es?

Thermoelemente existieren aufgrund eines Phänomens wie der Kontaktpotentialdifferenz. Wenn zwei verschiedene feste Leiter oder Halbleiter in engen Kontakt miteinander gebracht werden, bilden sich in der Nähe des Kontaktortes getrennte elektrische Ladungen. In diesem Fall tritt an den äußeren Enden dieser Leiter eine Potentialdifferenz auf. Diese Potentialdifferenz ist gleich der Differenz in der Austrittsarbeit für jedes Metall geteilt durch die Elektronenladung

Es ist klar, dass, wenn Sie ein solches Paar zu einem Ring schließen, die resultierende EMF Null ist, aber wenn es einerseits immer noch offen bleibt, dann gibt es eine echte EMF, die von Zehntel Volt bis zu Einheiten von Volt reicht, je nachdem, was Dies ist für die Materialien.

Natürlich ist es nicht möglich, die Kontaktpotentialdifferenz mit einem Voltmeter zu messen, sie manifestiert sich jedoch in der Strom-Spannungs-Kennlinie, zum Beispiel manifestiert sie sich in einem Transistor und in der Diode am pn-Übergang.

Die Quintessenz ist, dass wenn beispielsweise zwei Metalle in Kontakt kommen, das System aus dem Gleichgewicht gerät, weil die chemischen Potentiale dieser beiden Metalle nicht gleich sind, wodurch die Elektronen in Richtung der Verringerung ihrer Energie diffundieren, was wiederum zu einer Änderung der Ladung führt und elektrisches Potential kontaktierter Metalle. In der berührungsnahen Region beginnt also das Wachstum des elektrischen Feldes, und als Ergebnis haben wir das, was wir haben.

Wenn wir nun noch einmal diese beiden Leiter aus verschiedenen Metallen betrachten, die nur in einem Ring geschlossen sind, wenn die Gesamt-EMK in einem geschlossenen Stromkreis Null wird, dann erhalten wir zwei Kontaktstellen. Wir werden diese Orte als Kreuzungen bezeichnen.

Es gibt also zwei Übergänge von zwei verschiedenen Leitern. Was ist, wenn Sie versuchen, eine der Verbindungsstellen aufzuwärmen und die zweite bei Raumtemperatur zu lassen? Da die verbundenen Metalle unterschiedlich sind und es in jeder Verbindung eine Kontaktpotentialdifferenz gibt, erfahren die Übergänge offensichtlich unterschiedliche Abweichungen der EMF bei unterschiedlichen Temperaturen.

Das Experiment zeigt, dass die Potentialdifferenz zwischen den Übergängen proportional zur Temperaturdifferenz ist, sodass Sie den Proportionalitätskoeffizienten eingeben können, der als Thermo-EMF bezeichnet wird. Bei verschiedenen Thermoelementen ist die Thermo-EMF unterschiedlich.

Wenn die Spannung im Zusammenhang mit einem solchen Ring gemessen wird, ist sie in einem bestimmten Temperaturbereich nahezu streng proportional zur Temperaturdifferenz der Übergänge. Und selbst wenn Sie nur einen Übergang belassen (wie in der Abbildung) und ihn nur erwärmen und die Spannung zwischen zwei Enden messen, die sich bei derselben Raumtemperatur befinden, können Sie dennoch eine sehr deutliche Abhängigkeit der EMF von der aktuellen Sperrschichttemperatur feststellen. So funktionieren Thermoelemente.

Das beschriebene Phänomen bezieht sich auf thermoelektrisch, und der Effekt selbst, auf dessen Grundlage alle Thermoelemente arbeiten, wird genannt Seebeck-Effektzu Ehren seines Entdeckers - Thomas Seebeck. Heute treffen Sie auf industrielle Thermoelemente, bei denen die Elektroden je nach erforderlichem gemessenen Temperaturbereich aus speziell ausgewählten Legierungen bestehen.

Beispielsweise haben Thermoelemente aus Chromel und Alaunlegierungen einen Thermo-EMK-Koeffizienten von 40 Mikrovolt pro ° C und sind zur Messung von Temperaturen im Bereich von 0 bis + 1100 ° C ausgelegt. Mit einem Kupfer-Konstantan-Paar, das als Demonstrationswerkzeug so beliebt ist, können Sie Temperaturen von -185 bis + 300 ° C messen.

Seine Thermo-EMF hängt stark von der spezifischen Temperaturdifferenz ab. Um seine Parameter zu bewerten, ist es daher zweckmäßig, die Tabelle zu verwenden. Beispielsweise beträgt die Potentialdifferenz des Kupfer-Konstantan-Paares bei einer Vergleichstemperatur von 0 ° C und einer Temperaturdifferenz von 100 Grad ungefähr 4,25 mV.