Wat is een thermokoppel en hoe werkt het?

Thermokoppels bestaan ​​vanwege een fenomeen als contactpotentiaalverschil. Als twee verschillende massieve geleiders of halfgeleiders in nauw contact met elkaar worden gebracht, worden gescheiden elektrische ladingen gevormd in de buurt van de plaats van hun contact. In dit geval zal aan de externe uiteinden van deze geleiders een potentiaalverschil optreden. Dit potentiaalverschil zal gelijk zijn aan het verschil in de werkfunctie voor elk metaal gedeeld door de elektronenlading

Het is duidelijk dat als je zo'n paar in een ring sluit, de resulterende EMF nul zal zijn, maar als deze aan de ene kant nog steeds open blijft, dan is er een echte EMF, variërend van tienden van volt tot volteenheden, afhankelijk van wat dit is voor de materialen.

Het is natuurlijk niet mogelijk om het contactpotentiaalverschil te meten met een voltmeter, maar het zal zich manifesteren op de stroomspanningskarakteristiek, het manifesteert zich bijvoorbeeld in een transistor en in de diode op de p-n-kruising.

Het komt erop neer dat wanneer bijvoorbeeld twee metalen in contact komen, het systeem uit evenwicht raakt omdat de chemische potentialen van deze twee metalen niet gelijk zijn aan elkaar, waardoor de elektronen diffunderen in de richting van het verminderen van hun energie, wat op zijn beurt leidt tot een verandering in lading en elektrisch potentieel van in contact gebrachte metalen. Dus in het contactgebied begint de groei van het elektrische veld, en als gevolg daarvan hebben we wat we hebben.

Als we nu opnieuw deze twee geleiders van verschillende metalen beschouwen, alleen gesloten in een ring, wanneer de totale emf in een gesloten circuit nul wordt, dan krijgen we twee contactplaatsen. We zullen deze plaatsen kruispunten noemen.

Er zijn dus twee knooppunten van twee verschillende geleiders. Wat als u een van de kruispunten probeert op te warmen en de tweede op kamertemperatuur laat? Aangezien de verbonden metalen verschillend zijn en er een contactpotentiaalverschil is in elke verbinding, zullen de knooppunten uiteraard verschillende afwijkingen van de EMF ondervinden bij verschillende temperaturen.

Het experiment bewijst dat het potentiaalverschil tussen de knooppunten evenredig is met het verschil in temperatuur, zodat u de evenredigheidscoëfficiënt kunt invoeren, die thermo-EMF wordt genoemd. Voor verschillende thermokoppels zal thermo-EMF anders zijn.

Als de spanning wordt gemeten in de context van een dergelijke ring, zal deze in een bepaald temperatuurbereik bijna strikt evenredig zijn met het temperatuurverschil van de knooppunten. En zelfs als u slechts één knooppunt verlaat (zoals in de afbeelding) en het alleen opwarmt en de spanning meet tussen twee uiteinden die zich op dezelfde kamertemperatuur bevinden, kunt u nog steeds een zeer duidelijke afhankelijkheid van de EMF van de huidige knooppunttemperatuur vinden. Dit is hoe thermokoppels werken.

Het beschreven fenomeen verwijst naar thermo-elektrisch en het effect zelf, op basis waarvan alle thermokoppels werken, wordt genoemd Seebeck effect, ter ere van zijn ontdekker - Thomas Seebeck. Vandaag kunt u industriële thermokoppels ontmoeten, waarbij de elektroden, afhankelijk van het vereiste gemeten temperatuurbereik, zijn gemaakt van speciaal geselecteerde legeringen.

Thermokoppels gemaakt van chroom en aluminiumlegeringen hebben bijvoorbeeld een thermo-emf-coëfficiënt van 40 microvolt per ° C en zijn ontworpen om temperaturen te meten in het bereik van 0 tot + 1100 ° C. Met een paar koper-constantan, zo populair als demonstratietool, kunt u temperaturen meten van -185 tot + 300 ° C.

De thermo-EMF hangt sterk af van het specifieke temperatuurverschil, daarom is het handig om de tabel te gebruiken om zijn parameters te evalueren, bijvoorbeeld bij een koude junctietemperatuur van 0 ° C, met een temperatuurverschil van 100 graden, zal het potentiaalverschil van het koper-constantanpaar ongeveer 4,25 mV zijn.