Dwa kawałki drutu, kubek wrzątku i miernik — bez baterii, magnesu i żadnej części ruchomej da się wytworzyć napięcie elektryczne. Wystarczy, że miejsce zetknięcia dwóch różnych metali będzie cieplejsze niż reszta obwodu. Ten niepozorny efekt mierzy temperaturę w piekarnikach, silnikach i hutach, a także zasila sondy kosmiczne wysłane poza Układ Słoneczny.

Co nam będzie potrzebne?

  • kawałek cienkiego drutu miedzianego (ok. 50 cm, może być goły lub z odizolowanymi końcami)
  • kawałek drutu stalowego lub żelaznego, np. drutu wiązałkowego z marketu budowlanego (ok. 50 cm)
  • multimetr cyfrowy z zakresem 200 mV lub 20 mV prądu stałego
  • czajnik z gorącą wodą albo garnek z wrzątkiem
  • kubek z wodą z lodem (kostki lodu i trochę wody)
  • drobny papier ścierny
  • szczypce do skręcania drutów

⚠️ Uwaga: Pracuj z wrzątkiem ostrożnie i najlepiej w obecności dorosłego. Nie dotykaj gorącego złącza gołą ręką ani nie wlewaj wrzątku do cienkościennego szklanego naczynia.

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Oczyść papierem ściernym końce obu drutów, aż pojawi się czysty, błyszczący metal. Tlenki i brud pogarszają kontakt i potrafią dodać do pomiaru własne, przypadkowe napięcie. Następnie mocno skręć ze sobą po jednym końcu miedzi i stali na długości ok. 1 cm, tak by powstało pewne, ciasne złącze. Możesz je lekko ścisnąć szczypcami.

Krok 2: Wolne końce drutów, miedziany i stalowy, podłącz do gniazd miernika, a przełącznik ustaw na najniższy zakres napięcia stałego. Jeśli multimetr ma tylko zakres 200 mV, to wystarczy, bo spodziewane napięcie jest rzędu ułamka miliwolta do kilku miliwoltów. Pamiętaj, że końcówki drutów przy gniazdach miernika to też złącza metali — dlatego trzymaj je w pomieszczeniu w tej samej temperaturze i niczego nie ogrzewaj w ich pobliżu.

Krok 3: Zanim zanurzysz cokolwiek, zanotuj odczyt przy złączu w temperaturze pokojowej. Powinien być bliski zera, najwyżej kilka dziesiątych miliwolta szumu. To twój punkt odniesienia. Teraz zanurz skręcone złącze w gorącej wodzie i obserwuj wskazanie. Napięcie rośnie w ciągu kilkunastu sekund i ustala się na poziomie około jednego miliwolta, jeśli woda jest bliska wrzenia.

Krok 4: Wyjmij złącze, przestudź je i zanurz w wodzie z lodem. Odczyt wraca do zera albo zmienia znak, jeśli odniesienie stanowiła temperatura pokojowa, a teraz złącze jest od niej chłodniejsze. Zamień też przewody w gniazdach miernika i sprawdź, jak zmienia się znak napięcia — to potwierdza, że prąd rzeczywiście płynie w przeciwną stronę, a nie jest błędem pomiaru.

Krok 5: Wykonaj serię pomiarów, zanurzając jedno złącze w wodzie o różnych temperaturach: z lodu, letniej, gorącej i wrzącej. Zapisuj temperaturę termometrem kuchennym i napięcie miernika, a potem narysuj wykres. Punkty powinny układać się w przybliżeniu na prostej, czyli napięcie rośnie proporcjonalnie do różnicy temperatur.

Wyjaśnienie naukowe

Zjawisko odkrył w 1821 roku niemiecki fizyk Thomas Johann Seebeck. Zauważył, że gdy złącze dwóch różnych metali jest cieplejsze niż reszta obwodu, igła kompasu leżącego obok się wychyla. Sam interpretował to jako magnetyzm wywołany ciepłem, ale w rzeczywistości kompas reagował na prąd elektryczny, który ciepło wprawiało w ruch. Dziś wiemy, że w metalu swobodne elektrony przewodnictwa po gorętszej stronie mają większą energię i szybciej dyfundują w stronę chłodniejszego końca. Po stronie chłodnej gromadzi się nadmiar ładunku ujemnego i powstaje napięcie, które równoważy dalszą dyfuzję.

W jednym kawałku drutu tego napięcia nie da się zmierzyć, bo przy podłączeniu miernika wraca ono na tych samych przewodach w odwrotnym kierunku i się znosi. Dopiero użycie dwóch różnych metali sprawia, że napięcia po obu stronach obwodu nie równoważą się. Każdy metal ma bowiem swój współczynnik Seebecka, czyli napięcie wytwarzane na jeden kelwin różnicy temperatur. Wypadkowe napięcie jest proporcjonalne do różnicy tych współczynników oraz do różnicy temperatur między złączem gorącym i zimnym. Dla pary miedź–stal to tylko kilka–kilkanaście mikrowoltów na kelwin, dlatego wrzątek daje około miliwolta. Para wykonana z innych materiałów, np. miedź–konstantan, daje około czterdziestu mikrowoltów na kelwin.

Termopary są jednymi z najczęściej stosowanych czujników temperatury w przemyśle. Są tanie, wytrzymują ekstremalne warunki i działają w zakresie od kilkudziesięciu stopni poniżej zera do ponad tysiąca stopni Celsjusza, a ich krótkie sygnały łatwo zamienić na liczbę. Standardowe typy, np. typ K (chromel–alumel), mają znormalizowane krzywe, według których elektronika przelicza napięcie na temperaturę. Ważne jest też tzw. złącze odniesienia: miernik musi znać temperaturę, w której przewody termopary kończą się w urządzeniu, by uwzględnić tę poprawkę — w prostym doświadczeniu zastępuje ją lód lub pokój. Zjawisko odwrotne odkrył w 1834 roku Jean Peltier: prąd płynący przez złącze dwóch metali je ogrzewa lub chłodzi, na czym działają małe chłodziarki turystyczne. Dla porównania zobacz, jak działa pompa ciepła — przenosi ciepło mechanicznie, a nie elektronami w metalu. Z termopar (a właściwie ich półprzewodnikowych następców) zbudowane są też radioizotopowe generatory elektryczne, które zasilają sondy Voyager od ponad czterdziestu lat.

Warianty

Bateria z kilku termopar. Zrób cztery–pięć takich samych par drutów i połącz je szeregowo, tak aby wszystkie złącza gorące wpadały do wrzątku, a wszystkie zimne do wody z lodem. Napięcia dodają się, więc odczyt będzie kilka razy większy i łatwiejszy do zmierzenia nawet tanim miernikiem. Tak właśnie zbudowany jest termostos.

Inne pary metali. Wymień stal na drut z innego metalu, np. aluminium lub cynk z blachy, i porównaj napięcie przy tej samej temperaturze wrzątku. Dzięki temu zobaczysz, że współczynnik zależy od materiału. Jeśli znasz baterię z cytryn , zauważ różnicę: tam napięcie wynika z reakcji chemicznej między metalami a elektrolitem, tutaj wyłącznie z temperatury.

Płomień świecy. Zanurz jedno złącze w płomieniu świecy (trzymaj je szczypcami), a drugie w wodzie z lodem. Napięcie jest wielokrotnie większe niż we wrzątku, bo temperatura płomienia sięga ok. 1000 °C. Pamiętaj, że cienki drut miedziany nie wytrzyma tego długo — miedź utlenia się, a stal się rozżarza.

Często zadawane pytania

Dlaczego w obwodzie potrzebne są dwa różne metale? Jeden metal wytworzyłby napięcie na gorącym końcu, ale tuż obok powstałoby takie samo w przeciwnym kierunku na drodze powrotnej. W wyniku tego napięcie netto równałoby się zeru. Dwa różne metale mają różne współczynniki Seebecka, więc napięcia się nie znoszą i część pozostaje do zmierzenia.

Czy takim prądem można zapalić diodę LED? Niestety nie, bo napięcie jednej termopary to zaledwie miliwolty, a dioda potrzebuje około 2 woltów. Aby uzyskać taką wartość, trzeba byłoby połączyć szeregowo kilkaset takich złączy. Dlatego w praktyce używa się półprzewodników, które mają współczynniki Seebecka o rząd wielkości większe niż metale, oraz przetwornic podnoszących napięcie.

Dlaczego wskazania miernika dryfują, gdy trzymam druty w ręku? Dłoń ogrzewa złącza w miejscach, gdzie druty dotykają gniazd miernika, i powstają tam dodatkowe, niezamierzone termopary. Każda zmiana temperatury tych miejsc zmienia mierzone napięcie, a że sygnał jest mały, wpływ jest wyraźny. Dlatego warto zamocować druty taśmą do stołu i nie dotykać ich podczas pomiaru.