Força termoeletromotriz (thermo-EMF) e sua aplicação em tecnologia

Thermo-EMF é uma força eletromotriz que ocorre em um circuito elétrico que consiste em condutores desiguais conectados em série.

O circuito mais simples que consiste em um condutor 1 e dois condutores idênticos 2, cujos contatos são mantidos em diferentes temperaturas T1 e T2, é mostrado na figura.

Devido à diferença de temperatura nas extremidades do fio 1, a energia cinética média dos portadores de carga perto da junção quente acaba sendo maior do que perto da fria. Os portadores se difundem de um contato quente para um frio, e este último adquire um potencial cujo sinal é determinado pelo sinal dos portadores. Um processo semelhante ocorre nos ramos da segunda parte da cadeia. A diferença entre esses potenciais é o termo-EMF.

Na mesma temperatura de fios de metal em contato em um circuito fechado, diferença de potencial de contato nos limites entre eles, não criará nenhuma corrente no circuito, mas apenas equilibrará os fluxos de elétrons em direções opostas.

Calculando a soma algébrica das diferenças de potencial entre os contatos, é fácil entender que ela se anula. Portanto, neste caso não haverá EMF no circuito. Mas e se as temperaturas de contato forem diferentes? Suponha que os contatos C e D estejam em temperaturas diferentes. O que então? Vamos primeiro assumir que a função trabalho dos elétrons do metal B é menor que a função trabalho do metal A.

Vejamos esta situação. Vamos aquecer o contato D - os elétrons do metal B começarão a se transferir para o metal A porque, na verdade, a diferença de potencial de contato na junção D aumentará devido ao efeito do calor sobre ele. Isso acontecerá porque há mais elétrons ativos no metal A próximo ao contato D e agora eles correrão para o composto B.

O aumento da concentração de elétrons perto do composto C inicia seu movimento através do contato C, do metal A para o metal B. Aqui, ao longo do metal B, os elétrons se moverão para o contato D. E se a temperatura do composto D continuar elevada em relação ao contato C, então neste circuito fechado o movimento direcional dos elétrons será mantido no sentido anti-horário - aparecerá uma imagem da presença de um EMF.

Em tal circuito fechado composto de metais diferentes, o EMF resultante da diferença nas temperaturas de contato é chamado termo-EMF ou força termoeletromotriz.

Thermo-EMF é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre os dois contatos e depende do tipo de metais que compõem o circuito. A energia elétrica em tal circuito é realmente derivada da energia interna da fonte de calor que mantém a diferença de temperatura entre os contatos.Claro, o EMF obtido por este método é extremamente pequeno, em metais é medido em microvolts, o máximo é em dezenas de microvolts, para um grau de diferença nas temperaturas de contato.

Para semicondutores, o termo-EMF acaba sendo maior, para eles atinge partes de um volt por grau de diferença de temperatura, já que a concentração de elétrons nos próprios semicondutores depende significativamente de sua temperatura.

Para medição eletrônica de temperatura, use termopares (thermocouples)trabalhando no princípio da medição termo-EMF. Um termopar consiste em dois metais diferentes cujas extremidades são soldadas juntas. Ao manter a diferença de temperatura entre os dois contatos (a junção e as extremidades livres), o termo-EMF é medido.As extremidades livres desempenham aqui o papel de um segundo contato. O circuito de medição do dispositivo é conectado às extremidades.

Diferentes metais de termopares são escolhidos para diferentes faixas de temperatura e com sua ajuda a temperatura é medida em ciência e tecnologia.

Os termômetros de ultraprecisão são feitos com base em termopares. Com a ajuda de termopares, temperaturas muito baixas e muito altas podem ser medidas com alta precisão. Além disso, a precisão da medição depende, em última instância, da precisão do voltímetro que mede a termo-EMF.

A figura mostra um termopar com duas junções. Uma junção é imersa na neve derretida e a temperatura da outra junção é determinada usando um voltímetro com escala calibrada em graus. Para aumentar a sensibilidade desse termômetro, às vezes os termopares são conectados a uma bateria. Mesmo fluxos muito fracos de energia radiante (por exemplo, de uma estrela distante) podem ser medidos desta forma.

Para medições práticas, ferro-constantan, cobre-constantan, chromel-alumel, etc. são usados ​​com mais frequência. Quanto às altas temperaturas, recorrem a vapores com platina e suas ligas - a materiais refratários.

A aplicação de termopares é amplamente aceita em sistemas automatizados de controle de temperatura em muitas indústrias modernas porque o sinal do termopar é elétrico e pode ser facilmente interpretado por eletrônicos que ajustam a potência de um determinado dispositivo de aquecimento.

O efeito oposto a este efeito termoelétrico (denominado efeito Seebeck), que consiste em aquecer um dos contatos e simultaneamente resfriar o outro enquanto passa uma corrente elétrica direta pelo circuito, é chamado de efeito Peltier.

Ambos os efeitos são utilizados em geradores termoelétricos e refrigeradores termoelétricos, para mais detalhes veja aqui:Efeitos termoelétricos de Seebeck, Peltier e Thomson e suas aplicações