נוסח השאלה המקורי: מהו עיקרון הפעולה של צמד דו-חומני?
רוב המדחומים הדיגיטלים המעבדתיים עובדים לפי עקרון הפעולה של צמד דו-חומני (מכונה גם רק 'צמד חומני', 'צמד תרמי', או לפי השם הלועזי: תֶרְמוֹקָפֶּל Thermocouple). ההתקן הוא מאוד פשוט: מחברים יחד 2 מתכות שונות (נגיד נחושת וברזל) בנקודה אחת (המכונה גם נקודת צומת), ומודדים באמצעות מד-מתח את המתח החשמלי (V) שנוצר בין שתי המתכות. עבור כל טמפרטורה של הצומת – יש מתח חשמלי אופייני, כך שמה שמתקבל הוא מדחום: מכשיר שיכול למדוד טמפרטורות שונות באמצעות מדידה של משהו שמשתנה עם הטמפרטורה (במקרה הזה: על ידי מדידת מתחים חשמליים, בדומה למדחום כספית אשר מודד טמפרטורות שונות על ידי מדידת אורך של עמוד כספית). נסביר את עקרונות הפעולה של ההתקן:
1. כאשר 2 מתכות שונות נוגעות זו בזו נוצר ביניהם מתח חשמלי: כל מתכת בנוייה מאלקטרונים (הטעונים מטען חשמלי שלילי) חופשיים הנעים בחופשיות בתוך מה שנקרא 'ים האלקטרונים' אשר מסביב לאטומים הטעונים מטען חשמלי חיובי. (חופשיות התנועה של האלקטרונים היא הסיבה שבגללה מתכות מוליכות חשמל, לחצו על הקישור הבא להסבר מפורט על ים האלקטרונים ועל מוליכות חום וחשמל במתכות). למתכות שונות – האלקטרונים החופשיים נמצאים בצפיפות שונה (או, במינוח יותר מדוייק: האלקטרונים נמצאים ברמת אנרגיית-בסיס שונה), כאשר 2 מתכות שונות נוגעות זו בזו, אלקטרונים מהמתכת בעלת הצפיפות הגבוהה (או הרמה האלקטרונית הגבוהה) ינועו לעבר המתכת בעלת הצפיפות הנמוכה, כפי שאפשר לראות באיור הבא, האלקטרונים ינועו מהמתכת מימין למתכת משמאל:
התוצאה: נוצר מתח חשמלי בין המתכות, המתכת שהייתה פחות צפופה תהפוך לבעלת מטען חשמלי שלילי (כי אלקטרונים שליליים נעו אליה) והמתכת היותר צפופה תהפוך לבעלת מטען חשמלי חיובי (כי אלקטרונים עזבו אותה). זהו למעשה פן אחר של אפקט פלטייה שבו מעגל חשמלי יכול להתקרר כאשר זרם עובר בו. אם יוצרים מעגל חשמלי משני המתכות - התופעה מכונה אפקט סיבק (Seebeck) על שם מגלהּ (או גם סיבק-פלטייה, כי זה פן אחר של אותו אפקט)
2. כאשר מתכת רגילה נמצאת בהפרש טמפרטורות בין קצותיה, צפיפות האלקטרונים בין הקצוות משתנה, והתוצאה היא מתח חשמלי, כפי שניתן לראות בתמונות הבאות:
מתכת בטמפ' אחידה, האלקטרונים מפוזרים בצורה אחידה, אין מתחים חשמליים בין קצוות המתכת.
מתכת בעלת קצה חם יחסית לשני, האלקטרונים לא מפוזרים באופן אחיד לאורך המתכת, יש הפרש מתחים בין הקצוות.
התרמוקפל עובד בעצם על איחוד של שני האפקטים: בצומת נוצר הפרש מתחים, והפרש המתחים משתנה עם שינוי הטמפרטורה - גם בגלל שינוי במצב האלקטרוני בצומת, וגם בגלל הפרש הטמפרטורה לאורך התיילים - בין הצומת לבין שאר המעגל. בדרך כלל, צמד דו-חומני יוצר שינוי של כ-7 מילי-וולטים (0.007 וולטים) על כל שינוי של מעלת צלזיוס אחת, זהו שינוי שקל מאוד למדוד באמצעות מדי-מתח מודרניים. במתכת אחת בלבד, לא ניתן היה להשתמש בפועל למדידת טמפרטורה לאורך זמן כי כאשר היינו מחברים את הדקי מד-המתח לקצה החם הם היו מתחממים גם ומבטלים את האפקט, שימוש בשתי מתכות המחוברות למעגל, מה שיוצר צומת מרכזית - ושתי צמתים בחיבור למעגל - מאפשר את המדידות המדוייקות ביותר.
חייבים לציין שהמתח בצמד-חומני לא משתנה באופן קבוע עם הטמפרטורה, מד החום יודע לתרגם את המתח לטמפ' על טבלת-תרגום שמצוייה בתוכו. (כלומר – כל זוג של מתכות שמשמש כצמד-חומני עובר תחילה כיול – שבודק איזה מתח הן מפיקות בכל טמרטורה, כאשר הטמפרטורה נמדדת על ידי מדחום אחר).
צמד דו-חומני משמש רבות במעבדה - כאשר צריך למדוד טווח טמפרטורות גדול (עשרות או מאות מעלות - על פני טווח טמפרטורה רחב). למדידת טמפרטורה של גוף האדם, שם דרוש דיוק של עשירית מעלה על טווח טמפרטורות מאוד קטן (32-42 מעלות צלזיוס לכל היותר) מעדיפים לא להשתמש בצמד דו חומני, אלא על ידי שימוש במד חום התנגדותי ובתרמיסטורים (גם סוג של מדי חום התנגדותיים) –חומרים שמשנים את ההתנגדות שלהם עם הטמפרטורה - מדידת התנגדות מדוייקת מתורגמת לטמפרטורה במקרים אלו.
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון ויצמן למדע ומכון דוידסון לחינוך מדעי
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
