θερμοηλεκτρισμός

Σύνολο ιδιοτήτων που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας που εκδηλώνονται στα φαινόμενα Ζέεμπεκ, Πελτιέ, Τόμσον, εκτός από το φαινόμενο Τζάουλ. φαινόμενο Ζέεμπεκ. Το φαινόμενο Ζέεμπεκ, που είναι και το πιο σημαντικό από τα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα, συνίσταται στην άμεση μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική, που επιτυγχάνεται όταν διατηρηθούν σε διαφορετική θερμοκρασία τα σημεία επαφής μεταξύ αγωγών διαφορετικών μετάλλων. Ας θεωρήσουμε μία αλυσίδα που αποτελείται από δύο μεταλλικούς αγωγούς Μ₁ και Μ₃ του ίδιου μετάλλου, μεταξύ των οποίων έχει παρεμβληθεί o αγωγός Μ₂ από διαφορετικό μέταλλο. Οι δύο συγκολλήσεις μεταξύ Μ₁ και Μ₂ και μεταξύ Μ₂ και Μ₃ (Μ₃ = Μ₁) διατηρούνται σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες Τ₁ και Τ₂. Μεταξύ των δύο ακραίων μετάλλων αναπτύσσεται τότε μία διαφορά δυναμικού Ε που ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) είτε απλά θερμοηλεκτρική τάση, με τιμή εντός ορισμένων ορίων, ανάλογη προς τη διαφορά ΔΘ των δύο θερμοκρασιών Τ₁ και Τ₂, Ε = C·ΔΘ όπου C συντελεστής θερμοηλεκτρικής τάσης που εξαρτάται από τη φύση των δύο μετάλλων και από τη θερμοκρασία. Ανάλογα δηλαδή με τη μεταβολή της θερμοκρασίας, ο συντελεστής μεταβάλλεται και μπορεί ακόμα να λάβει μηδενική τιμή είτε και να γίνει αρνητικός. Πράγματι, αν η μία επαφή (συγκόλληση) ενός θερμοηλεκτρικού ζεύγους διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία, ενώ η θερμοκρασία της άλλης αυξάνεται συνεχώς, θα παρατηρήσουμε αρχικά μία αύξηση της θερμοηλεκτρικής τάσης ως μία μέγιστη τιμή, μετά τη μείωση έως τον μηδενισμό της και τέλος αναστροφή της πολικότητάς της. To φαινόμενο αυτό καλείται, ιδιαίτερα, θερμοηλεκτρική αναστροφή. Η θερμοηλεκτρική τάση ακολουθεί επίσης και τους εξής νόμους: νόμος των διάμεσων μετάλλων σύμφωνα με τον οποίο κάθε επαφή (συγκόλληση) μπορεί να πραγματοποιηθεί με την παρεμβολή ενός άλλου μετάλλου χωρίς να αλλάξει το Ε εφόσον ολόκληρο το μέταλλο της συγκόλλησης βρίσκεται στην ίδια θερμοκρασία· νόμος των διαδοχικών θερμοκρασιών βάσει του οποίου αν δύο αλυσίδες είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους σε σειρά και αποτελούνται από ίδια ζεύγη μετάλλων, από τα οποία το πρώτο έχει τις δύο συγκολλήσεις στις θερμοκρασίες Τ₁, Τ₂ και παράγει μία τάση Ε_1,2, και το άλλο ζεύγος έχει τις συγκολλήσεις σε θερμοκρασίες Τ₂, Τ₃ και παράγει μια τάση Ε_{2, 3}, έχουμε τότε μία ολική ΗΕΔ Εολ = Ε_1,2 + Ε_2,3 = Ε_1,3, δηλαδή η αυτή Εολ θα παραγόταν από μία μοναδική αλυσίδα μετάλλων που θα είχε τις δύο συγκολλήσεις στις θερμοκρασίες Τ₁ και Τ₃. Στο φαινόμενο Ζέεμπεκ βασίζονται τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στα πυρόμετρα για τη μέτρηση θερμοκρασιών (βλ. λ. θερμοηλεκτρικό ζεύγος). Τα πιο συνηθισμένα ζεύγη μετάλλων με τα αντίστοιχα διαστήματα θερμοκρασιών είναι: σίδηρος – κονσταντάνη (κράμα χαλκού 60% και χρωμίου 40%) από -250°C έως -900°C, λευκόχρυσος – ροδιούχος λευκόχρυσος από 4000 C έως 1100°C, χρωμέλ (80% χρώμιο και 20% νίκελ) – αλουμέλ (κράμα νικελίου, αργιλίου, μαγγανίου) από 400°C έως 1300°C. φαινόμενο Πελτιέ.Ας θεωρήσουμε μία αλυσίδα αγωγών Μ₁, Μ₂, Μ₃ (Μ₃ = Μ₁) όπως στο φαινόμενο Ζέεμπεκ. Αν εφαρμοστεί μία ηλεκτρική διαφορά δυναμικού, για έναν χρόνο t, μεταξύ των δύο ελεύθερων άκρων της αλυσίδας, η ροή του ρεύματος, έντασης I, προκαλεί στη μία από τις δύο συγκολλήσεις απορρόφηση μίας ποσότητας θερμότητας Q, και στην άλλη συγκόλληση παραγωγή ίσης ποσότητας θερμότητας. Η σχέση Ρ = Q/It εξαρτάται από τη φύση των δύο μετάλλων από τις θερμοκρασίες τους και όχι από την έκταση της επαφής. Το φαινόμενο ερμηνεύεται ως αποτέλεσμα μίας διαφοράς δυναμικού στην επαφή μεταξύ των δύο μετάλλων, η οποία επιφέρει μία μεταβολή της κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων κατά τη διέλευσή τους από το ένα μέταλλο στο άλλο. φαινόμενο Τόμσον. Ένας ομοιογενής μεταλλικός αγωγός διαιρείται σε δύο διαστήματα α₁, α₂ στην ίδια θερμοκρασία Τ₁, από δύο σταθερούς θερμοστάτες. Το ενδιάμεσο διάστημα α₃, μεταξύ α₁ και α₂ φέρεται στη θερμοκρασία Τ₂ (Τ₂>Τ₁). Όταν δεν υπάρχει ροή ηλεκτρικού ρεύματος το διάγραμμα κατανομής των θερμοκρασιών είναι συμμετρικό σε σχέση με την κεντρική ζώνη, αλλά με τη ροή ενός ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από τον αγωγό αυτό παρατηρείται μία ασυμμετρία που εξαρτάται από τη διεύθυνση του ρεύματος· η αναστροφή της προκαλεί την αναστροφή της ασυμμετρίας. Το φαινόμενο εξαρτάται από τη φύση του μετάλλου και για κάθε μέταλλο υπάρχει ένας συντελεστής (συντελεστής Τόμσον) που εκφράζει την ποσότητα της θερμότητας που απορροφάται είτε εκλύεται από τον μεταλλικό αγωγό μεταξύ των δύο τμημάτων του, στα οποία επικρατεί διαφορά θερμοκρασίας 1°C και διαρρέεται από ένα ηλεκτρικό φορτίο 1 κουλόμπ, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη το φαινόμενο Τζάουλ. Στις δύο αυτές περιπτώσεις έχουμε αντίστοιχα μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε θερμότητα και αντίστροφα. Πειραματική διάταξη για την περιγραφή του φαινόμενου Πελτιέ. Κάνοντας να κυκλοφορήσει ένα ρεύμα στην αλυσίδα των αγωγών ΑΒ, η οποία αποτελείται από δύο διαφορετικά μέταλλα διατεταγμένα όπως στο σχήμα, θα έχουμε ανάπτυξη θερμότητας (θέρμανση) στη μία από τις συγκολλήσεις και απορρόφηση θερμότητας (ψύξη) στην άλλη, που πιστοποιούνται από τη διαφορά στάθμης h του υδράργυρου, η οποία εμφανίζεται στο θερμοσκόπιο. Λόγω της συμμετρίας του συστήματος, οι ποσότητες της θερμότητας που αναπτύσσονται στο Ο και Ο' εξαιτίας του φαινομένου Τζάουλ είναι ίσες και γι' αυτό δεν επηρεάζουν τη μέτρηση. Τα θερμοκήπια χρησιμοποιούνται στην καλλιέργεια λουλουδιών, γιατί παρέχουν τη δυνατότητα να υπάρχουν άνθη σε όλες τις εποχές του έτους. Σχήμα πειραματικής διάταξης για την επίδειξη του φαινομένου Τόμσον (κατώτερο τμήμα του σχήματος) και διάγραμμα κατανομής των θερμοκρασιών σε απουσία ρεύματος (μαύρη καμπύλη) και κατά τη ροή του ρεύματος προς τη μία κατεύθυνση και προς την αντίθετη (γαλάζια και κόκκινη καμπύλη). Βαθμονόμηση ενός θερμοηλεκτρικού ζεύγους. Για την πραγματοποίηση αυτής της εργασίας βυθίζουμε τη μία συγκόλληση (A) του ζεύγους σε τηκόμενο πάγο και την άλλη σε ένα μέταλλο λιωμένο, του οποίου η θερμοκρασία τήξης είναι γνωστή. Κατ’ αυτό τον τρόπο σημειώνεται η απόκλιση της βελόνας του γαλβανόμετρου (G), η οποία αντιστοιχεί ακριβώς στη διαφορά των δύο θερμοκρασιών. Οι συνδέσεις L και L’ δεν παράγουν θερμοηλεκτρικές τάσεις, επειδή βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Αφού γίνει η βαθμονόμηση, η διάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μετρήσεις θερμοκρασιών με ακρίβεια, αρκεί να διατηρείται η μία από τις συγκολλήσεις σε γνωστή θερμοκρασία και η άλλη σε επαφή με το σώμα του οποίου τη θερμοκρασία θέλουμε να προσδιορίσουμε. Το ρεύμα που παράγεται εξαιτίας του θερμοηλεκτρικού φαινόμενου και το οποίο πιστοποιείται από την απόκλιση του γαλβανόμετρου, είναι ανάλογο προς τη διαφορά των θερμοκρασιών των δύο συγκολλήσεων. Σχηματική αναπαράσταση του φαινομένου Ζέεμπεκ. Οι ακραίοι αγωγοί που καταλήγουν στους πόλους Ρ και Ρ' είναι από το ίδιο μέταλλο Μ1' ενώ ο αγωγός ΑΒ, που παρεμβάλλεται μεταξύ αυτών, αποτελείται από διαφορετικό μέταλλο Μ2. Αν οι συγκολλήσεις Α και Β διατηρούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες Το και Τ1 το γαλβανόμετρο G δείχνει ροή ρεύματος ως επακόλουθο της διαφοράς δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ των πόλων Ρ και Ρ'.

* * *

1. φυσ. η άμεση μετατροπή τής θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια και αντιστρόφως

2. ο τομέας τής ηλεκτρολογίας που εξετάζει τα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα.

[ΕΤΥΜΟΛ. < θερμ(ο)-* + ηλεκτρισμός. Η λ. μαρτυρείται από το 1840 στον Ξανέριο Λάνδερερ].