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.

16 תגובות

  • LOLOL

    LOL

    LOLOLOLOLOLOLOLololololololoLOLOLOLOLOLOLOLOLOLOLOLOlololololololololoLOLOLOLOLOLOLOLOLOLOLLOLOlololololololololloLOLLLLOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLOLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLPUTINLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL

  • שרגא

    השוואת הפרש הפוטנציאל

    האם לאחר מספר שניות המתח לא אמור להתאפס. (הוא לא, אבל למה) האלקטרונים עברו ממתכת אחת לשנייה ולאחר מכן במתכת השנייה ריכוזם גבוה יותר, אך המתח נשמר?

    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מעבר האלקטרונים יוצר מתח

    ההפך - קפיצת האלקטרונים ממתכת אחת לשניה - ברגע המגע בין המתכות יוצרת שוני במטען החשמלי בשתי המתכות (כמו שאמרת) ולכן היא יוצרת מתח חשמלי.

  • קלוד סק

    אפקט סיבק

    היכן ניתן לרכוש רכיב כזה לצורך ביצוע ניסויים עם תלמידי (אני מורה לרובוטיקה)
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מחוץ לתחומי

    שלום קלוד
    שאלה של קניות היא כבר מחוץ לתחום שלי (ושל האתר). נסה לחפש / לשאול אצל ספקי ציוד מדעי לבית ספר, ובכלל סתם חיפוש באינטרנט - יניב לך הרבה תוצאות.

    בהצלחה

  • דודי

    שינוי המתח בצמד-חומני

    אבי,

    כתבת כי "שהמתח בצמד-חומני לא משתנה באופן קבוע עם הטמפרטורה". מאידך קראתי מאמר בו מוסבר כי המתח שנוצר נמצא ביחס ישר להפרש הטמפרטורות. את היחס מגדיר מקדם a.
    התוכל להתייחס בבקשה?
    דודי

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    המאמר שקראת פשוט טועה (ומטעה...)

    לא רק שהמתח איננו לינארי עם הטמפרטורות, הוא פונקציה כל-כך מסובכת, שנהוג לקרב אותה לטור של חזקות, כלומר הפרש הטמפרטורה הוא המתח כפול מקדם, ועוד המתח בריבוע כפול מקדם אחר ועוד המתח בחזקת 3 כפול מקדם - ככה עד החזקה התשיעית. אם אתה רוצה להרחיב - ראה את הפונקציה (כסכום סיגמא) - ואת שרשרת תשעת המקדמים עבור תרמוקפל נפוץ (בטבלא מימין) - באנגלית:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple#Practical_use

    או באתר התקנים האמריקני - אתה יכול לראות, עבור כל סוג של תרמוקפל את סדרת המקדמים (הלא לינארים) עבור כל תרמוקפל שתחפוץ בו. שים לב שהמצב עוד יותר גרוע (בבחינת לא לינארי) ממה שתיארתי, המקדמים נכונים רק לטווח טמפרטורות מסויים, ובטווח אחר - הם משתנים... (ולכן הכי פשוט להשתמש בטבלאות ממירות).

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • דודי

    ראה גם את המאמר הבא

    תודה על תשובתך המפורטת ועל שני הקישורים שצרפת. מה לגבי הקישור הבא הדן במקדם סיביק? האם הוא עומד בסתירה כלשהי לנאמר בשני הקישורים הללו?
    http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Johann_Seebeck

    תודה
    דודי

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    לא

    לא עומד בסתירה – אבל פשוט לא מדוייק. המקדם עצמו – משתנה עם הטמפרטורה... כך שאי-אפשר לומר שהוא באמת קבוע. אם רוצים לעשות מדידה מקורבת – משתמשים במקדם מסדר ראשון, אם רוצים לדייק יותר – משתמשים בסדרה של המקדמים, כמו שכתובים באתר התקנים האמריקני, כפי שקישרתי קודם.

    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסום לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • דודי

    המרת חום למתח חשמלי

    אם כך, יש לי מספר שאלות נוספות בנושא:
    1. האם ישנם התקנים מסחריים מבוססים 'חד-מתכת' להמרת חום למתח חשמלי?
    2. מה לגבי התקנים "דו-מתכתיים" מסחריים?
    3. האם ישנם כללי אצבע המאפשרים חישוב מהיר (לצורך הבנה כללית) של מתח כנגד הפרש טמפרטורה? אני מוציא "מהדיון" התקני אינפרא-אדום.

    תודה
    דודי

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות

    ראשית - תודה על השאלות - בעיקבותם גם ריעננתי ודייקתי את המאמר.
    התשובות:

    1.     יש – בשיטה אחרת לגמרי מצומת חשמלית. על ידי שימוש במד חום התנגדותי ובתרמיסטורים (גם סוג של מדי חום התנגדותיים) – חומרים שמשנים את ההתנגדות שלהם עם הטמפרטורה (ראה קישורים). בגלל הפשטות, והדיוק של חומרים כאלו, הם מתחילים לדחוק כיום את השימוש בצמדים דו-חומניים. (וגם בשימוש בצמד דו-חומני, לרוב יש גם שימוש פנימי של מכשיר המדידה במד חום התנגדותי – לצרכי כיול)

    2.     עליהם דן המאמר – אפשר לקנות בכל חנות לציוד מעבדתי.

    3.     יש חלקית. וכאן אני רוצה לתקן מעט מה שכתבתי קודם, אחרי בירור יותר מעמיק – עבור כל תרמוקפל יש טווח של קירוב לינארי, כלומר – גם אם משתמשים במקדם אחד בלבד – מתקבלת מדידת טמפרטורה מדוייקת. הבעיה היא שאין כלל אצבע – כל תרמוקפל והמקדם הלינארי היחודי לו, שכול לנוע בטווח של פי-10, בין 0.1 ל-1 מילי-וולט לכל מעלת צלזיוס הפרש.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דודסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • דודי

    התקנים הממירים חום למתח חשמלי

    רוב תודות על הסבלנות ואורך הרוח...

    האם בכל זאת, אתה מכיר התקנים מסחריים (כלומר, כאלו שאני יכול לרכוש מהמדף, ובמחירים סבירים), אשר ממירים ביעילות ישירות חום / הפרשי טמפרטורה למתח חשמלי? אני מניח שההספק החשמלי איכשהו נגזר משטח הפנים של ההתקן המדובר מעבר להפרשי הטמפרטורה. הנכון הדבר?

    דודי

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    כל חיפוש בגוגל

    אני מניח שאתה מתכוון למדידה, כל חיפוש בגוגל ימצא לך, למשל:
    http://avikal.co.il/ProductsList.asp?CatId=329
    או
    http://negro.co.il/?wpsc-product=%D7%AA%D7%A8%D7%9E%D7%95%D7%A7%D7%A4%D7%9C-j-%D7%92%D7%A9%D7%A9-%D7%98%D7%9E%D7%A4%D7%A8%D7%98%D7%95%D7%A8%D7%94

    אם אתה ממש רוצה ליצר חשמל - יש גם חברות לזה, למשל:

    http://tegpower.com/

    (חפש בגוגל "electricity from heat" )

    מקווה שעזרתי
    אבי

  • דודי

    רוב תודות

    אבי, עזרת לי מאד. אכן הקישור השלישי הוא באמת הרלבנטי יותר. ייתכן ואחזור אליך בהמשך אבל אשתדל לעשות זאת כבר באמצעות האימייל הישיר.

    תודה מקרב לב
    דודי

  • אלון

    לא הבנתי למה מתכת אחת לא מספיקה

    למה במתכת אחת ההפרש היה מתבטל? היה בעצם מתפתח בהדקים מתח הפוך למתח במתכת?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אם יש הדקים

    אם יש הדקים - זה כבר מתכת שנייה (מתכת אחת החוט ומתכת שנייה ההדקים). אם ההדקים היו מאותה מתכת כמו החוט המחומם האפקט היה מתבטל כי החימום היה למעשה באמצע המתכת - ולפי אפקט סיבק האלקטרונים היו נעים לשני הצדדים של האיזור המחומם, כך שבנטו לא היה נוצר מטען חשמלי שאפשר למדוד (כל צד היה מבטל את הצד השני).

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע