Um termopar é um dispositivo que gera uma pequena tensão quando há uma diferença de temperatura entre suas duas junções. Este fenômeno, conhecido como efeito Seebeck, é um princípio fundamental subjacente ao funcionamento dos termopares. Vamos nos aprofundar nos detalhes de por que uma pequena tensão é criada em um termopar:
1. Efeito Seebeck:
- Princípio Básico: O efeito Seebeck é o fenômeno onde uma tensão é gerada através das junções de dois condutores diferentes quando há um gradiente de temperatura ao longo do comprimento dos condutores.
- Desequilíbrio térmico: quando uma junção do termopar é exposta a uma temperatura mais alta (junção quente) e a outra junção a uma temperatura mais baixa (junção fria), ocorre um desequilíbrio térmico.
2. Materiais Diferentes – Energias Eletrônicas Diferentes:
- Características do material: Os termopares são normalmente feitos de dois tipos diferentes de materiais condutores unidos em uma extremidade para formar as duas junções. Esses materiais têm diferentes energias e condutividades eletrônicas.
- Difusão de elétrons: Devido à diferença de temperatura, os elétrons se difundem do material de maior energia para o material de menor energia. Esse movimento de elétrons cria uma diferença de potencial elétrico ou voltagem nas junções.
3. Redistribuição de elétrons:
- Níveis de Fermi: O nível de Fermi representa o nível de energia no qual os elétrons têm 50% de probabilidade de serem ocupados. Em condutores diferentes, os níveis de Fermi são diferentes.
- Redistribuição de elétrons: A diferença de temperatura faz com que os elétrons se movam de uma região com maior nível de Fermi (maior energia) para uma região com menor nível de Fermi (menor energia), resultando em um acúmulo de carga e o estabelecimento de um potencial elétrico.
4. Direção do fluxo de elétrons:
- Fluxo de corrente convencional: O fluxo de corrente convencional é considerado de positivo para negativo. No contexto de um termopar, os elétrons se movem do material com maior energia (junção quente) para o material com menor energia (junção fria). Isso cria um fluxo de carga positiva na direção oposta, resultando em uma tensão com a junção quente sendo positiva em relação à junção fria.
5. Seleção de materiais:
- Emparelhamentos de materiais: A escolha dos materiais para termopares é crucial. Diferentes pares de materiais resultam em diferentes coeficientes de Seebeck, que influenciam a magnitude da tensão gerada.
- Materiais Comuns: Os materiais comuns para termopares incluem combinações como cromo-alumel (Tipo K), ferro-constantan (Tipo J) e outros, cada um com seu próprio coeficiente de Seebeck.
6. Relação Linear com Temperatura:
- Proporcionalidade Linear: A tensão gerada pelo termopar é linearmente proporcional à diferença de temperatura entre as junções quente e fria. Essa relação linear permite medições precisas de temperatura com base na tensão produzida.
7. Aplicativos:
- Detecção de temperatura: Os termopares são amplamente utilizados para detecção e medição de temperatura em vários setores. A tensão gerada está diretamente relacionada à diferença de temperatura, permitindo a determinação da temperatura na junção quente.
8. Compensação pela temperatura da junção fria:
- Compensação de junção fria: A temperatura na junção fria (junção de referência) afeta a precisão das medições de temperatura. Para compensar isso, circuitos adicionais ou uma temperatura de referência são frequentemente empregados para contabilizar a tensão gerada na junção fria.
9. Considerações Práticas:
- Magnitude da tensão: A tensão gerada por um único termopar é normalmente pequena, da ordem de milivolts por grau Celsius de diferença de temperatura. Para aumentar a sensibilidade, vários termopares podem ser conectados em série ou paralelo.
10. Geração de energia elétrica térmica:
- Efeito Seebeck inverso: Além de aplicações de detecção, o efeito Seebeck também é utilizado na geração de energia termoelétrica, onde uma diferença de temperatura entre as junções resulta na geração de energia elétrica.
Em resumo, a pequena tensão gerada num termopar é resultado do efeito Seebeck, onde a diferença de temperatura entre condutores diferentes faz com que os elétrons se movam, criando um potencial elétrico. Este fenômeno é aproveitado para detecção precisa de temperatura em diversas aplicações, fornecendo um meio confiável e prático de medir diferenças de temperatura.
