Un thermocouple est un appareil qui génère une petite tension lorsqu’il y a une différence de température entre ses deux jonctions. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet Seebeck, est un principe fondamental qui sous-tend le fonctionnement des thermocouples. Examinons en détail pourquoi une petite tension est créée dans un thermocouple :
1. Effet Seebeck :
- Principe de base : L’effet Seebeck est le phénomène par lequel une tension est générée aux jonctions de deux conducteurs différents lorsqu’il existe un gradient de température sur la longueur des conducteurs.
- Déséquilibre thermique : lorsqu’une jonction du thermocouple est exposée à une température plus élevée (jonction chaude) et l’autre jonction à une température plus basse (jonction froide), un déséquilibre thermique se produit.
2. Différents matériaux – Différentes énergies électroniques :
- Caractéristiques des matériaux : les thermocouples sont généralement constitués de deux types différents de matériaux conducteurs réunis à une extrémité pour former les deux jonctions. Ces matériaux ont des énergies électroniques et des conductivités différentes.
- Diffusion d’électrons : en raison de la différence de température, les électrons diffusent du matériau à plus haute énergie vers le matériau à plus faible énergie. Ce mouvement des électrons crée une différence de potentiel électrique ou une tension aux bornes des jonctions.
3. Redistribution électronique :
- Niveaux de Fermi : Le niveau de Fermi représente le niveau d’énergie auquel les électrons ont une probabilité de 50 % d’être occupés. Dans des conducteurs différents, les niveaux de Fermi sont différents.
- Redistribution des électrons : la différence de température amène les électrons à se déplacer d’une région avec un niveau de Fermi plus élevé (énergie plus élevée) vers une région avec un niveau de Fermi plus faible (énergie plus faible), ce qui entraîne une accumulation de charge et l’établissement d’un potentiel électrique.
4. Direction du flux électronique :
- Flux de courant conventionnel : le flux de courant conventionnel est considéré du positif au négatif. Dans le contexte d’un thermocouple, les électrons se déplacent du matériau à énergie plus élevée (jonction chaude) vers le matériau à énergie plus faible (jonction froide). Cela crée un flux de charge positive dans la direction opposée, ce qui entraîne une tension avec la soudure chaude positive par rapport à la soudure froide.
5. Sélection des matériaux :
- Appairages de matériaux : le choix des matériaux pour les thermocouples est crucial. Différents appariements de matériaux entraînent différents coefficients Seebeck, qui influencent l’amplitude de la tension générée.
- Matériaux courants : les matériaux de thermocouple courants incluent des combinaisons telles que chromel-alumel (type K), fer-constantan (type J) et d’autres, chacune avec son propre coefficient Seebeck.
6. Relation linéaire avec la température :
- Proportionnalité linéaire : La tension générée par le thermocouple est linéairement proportionnelle à la différence de température entre les jonctions chaudes et froides. Cette relation linéaire permet des mesures de température précises basées sur la tension produite.
7. Applications :
- Détection de température : les thermocouples sont largement utilisés pour la détection et la mesure de la température dans diverses industries. La tension générée est directement liée à la différence de température, permettant de déterminer la température à la soudure chaude.
8. Compensation de la température de soudure froide :
- Compensation de la soudure froide : la température à la soudure froide (jonction de référence) affecte la précision des mesures de température. Pour compenser cela, des circuits supplémentaires ou une température de référence sont souvent utilisés pour tenir compte de la tension générée au niveau de la soudure froide.
9. Considérations pratiques :
- Amplitude de la tension : la tension générée par un seul thermocouple est généralement faible, de l’ordre de millivolts par degré Celsius de différence de température. Pour augmenter la sensibilité, plusieurs thermocouples peuvent être connectés en série ou en parallèle.
10. Production d’énergie électrique thermique :
- Effet Seebeck inversé : En plus des applications de détection, l’effet Seebeck est également utilisé dans la production d’énergie thermoélectrique, où une différence de température entre les jonctions entraîne la génération d’énergie électrique.
En résumé, la faible tension générée dans un thermocouple est le résultat de l’effet Seebeck, où la différence de température entre des conducteurs différents provoque le déplacement des électrons, créant ainsi un potentiel électrique. Ce phénomène est exploité pour une détection précise de la température dans diverses applications, fournissant ainsi un moyen fiable et pratique de mesurer les différences de température.
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