Контактные явления. Работа выхода. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления. ТермоЭДС. Эффект Пельтье.
Контактные явления. Работа выхода. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления. ТермоЭДС. Эффект Пельтье.
Результирующая контактная разность потенциалов равна:
| kT | n | |||||||
| ϕ − ϕ | = −(A | − A ) /е+ | ln | . (3) | ||||
| e | ||||||||
| n | ||||||||
Рассмотрим случай, когда в соприкосновение приведены три разных проводника, находящихся при одинаковой температуре.
Разность потенциалов между концами разомкнутой цепи будет равна алгебраической сумме скачков потенциалов во всех контактах:
| ϕ1− ϕ3= (ϕ1− ϕ2) + (ϕ2− ϕ3) , | (4) |
откуда используя соотношения (1) и (2) получаем:
| kT | n | ||||||
| ϕ − ϕ | = −(A −A ) / е+ | ln | . (5) | ||||
| e | |||||||
| 1 3 | n | ||||||
Как видно, контактная разность потенциалов не зависит от промежуточного проводника.
Рис.1 Соединение трех различных проводников
Если замкнуть электрическую цепь, представленную на рисунке 1, то приложенная э. д. с. ε будет равна алгебраической сумме всех скачков потенциалов, которые имеют место при обходе цепи:
ε = (ϕ1 − ϕ2 )+ (ϕ2 − ϕ3 )+ (ϕ3 − ϕ1) , (6)
откуда следует, что ε=0.
Таким образом, при образовании замкнутой электрической цепи из нескольких металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, э. д. с. за счет контактной разности потенциалов не возникает. Чтобы ток возник, спаи проводников должны находится при разных температурах.
Контактная разность потенциалов возникает не только между двумя металлами, но также и между двумя полупроводниками, металлом и полупроводником, двумя диэлектриками.
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Известно, что работа выхода электронов из металла зависит от температуры. Следовательно, контактная разность потенциалов также зависит от температуры. Если температура контактов замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, неодинакова, то полная э. д. с. контура не будет равна нулю, и в цепи возникает электрических ток. Явление возникновения термоэлектрического тока (эффект Зеебека) и связанные с ним эффекты Пельтье и Томсона относятся к термоэлектрическим явлениям.
ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА
Эффект Зеебека заключается в возникновении электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру. Этот эффект был обнаружен немецким физиком Т. Зеебеком в 1821 году.
Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух проводников 1 и 2 с температурами спаев ТА (контакт А) и ТВ (контакт В), представленную на рисунке 2.
Рис.2
Считаем, ТА >ТВ. Электродвижущая силаε, возникающая в данной цепи, равна сумме скачков потенциалов в обоих контактах:
| ε =(ϕ1 −ϕ2 )+(ϕ2 −ϕ1) . | (7) |
Используя соотношение (3), получим:
| k | n | ||||||||
| ε =(Т | −Т | ) | ln | . | (8) | ||||
| e | |||||||||
| А | В | n | |||||||
Следовательно, в замкнутой цепи возникает э. д. с., величина которой прямо пропорциональна разности температур на контактах. Это и есть термоэлектродвижущая сила
(т. э. д. с.).
Качественно эффект Зеебека можно объяснить следующим образом. Сторонние силы, создающие термоэдс, имеют кинетическое происхождение. Так как электроны внутри металла свободны, то их можно рассматривать как некоторый газ. Давление этого газа должно быть одинаковым по всей длине проводника. Если разные сечения проводника имеют разные температуры, то для выравнивания давления требуется перераспределение концентрации электронов. Это и приводит к возникновению тока.
Направление тока I, указано на рис. 2, соответствует случаю ТА>ТВ, n1>n2. Если изменить знак у разности температур контактов, то направление тока измениться на противоположное.
ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ
Эффектом Пельтье называется явление выделения или поглощения дополнительной теплоты, помимо джоулева тепла, в контакте двух различных проводников в зависимости от направления, по которому течет электрический ток. Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека. Если джоулево тепло прямопропорционально квадрату силы тока, то теплота Пельтье прямо пропорциональна силе тока в первой степени и меняет свой знак при перемене направления тока.
Рис. 3
Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух различных металлических проводников, по которой течет ток I΄ (Рис. 3). Пусть направление тока I΄ совпадает с направлением тока I, показанного на рис. 2 для случая ТВ >ТА . Контакт А, который в эффекте Зеебека имел бы более высокую температуру, теперь будет охлаждаться, а контакт В – нагреваться. Величина тепла Пельтье определяется соотношением:
Q = П I/ t,
где I΄ – сила тока, t – время его пропускания, П – коэффициент Пельтье, который зависит от природы контактирующих материалов и температуры.
Из-заналичия контактных разностей потенциалов в точках А и В возникают контактные электрические поля с напряженностьюEr . В контакте А это поле совпадает с направлением
движения электронов, а в контакте В электроны движутся против поля Er . Так как электроны заряжены отрицательно, то в контакте В они ускоряются, что приводит к увеличению их кинетической энергии. При столкновениях с ионами металла эти электроны передают им энергию. В результате повышается внутренняя энергия в точке В и контакт нагревается. В
точке А энергия электронов наоборот уменьшается, поскольку поле Er тормозит их. Соответственно контакт А охлаждается, т.к. электроны получают энергию от ионов в узлах кристаллической решетки.
ЭФФЕКТ ТОМСОНА
Эффект Томсона состоит в том, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику происходит дополнительное выделение или поглощение теплоты, аналогично тому, как это имеет место в эффекте Пельтье.
Поскольку различные участки проводника нагреты неодинаково, то и их физические состояния различаются. Неравномерно нагретый проводник ведет себя как система находящихся в контакте физически разнородных участков. В более нагретой части проводника энергия электронов выше, чем в менее нагретой. Поэтому в процессе движения они отдают часть своей энергии ионам металла в узлах кристаллической решетки. В результате происходит выделение тепла. Если же электроны движутся в область, где температура выше, то они увеличивают свою энергию за счет энергии ионов, и металл охлаждается.
Температур спаев в 1К).
α12= dTdε или α12= ∆∆Tε .
Коэффициент термоэдс α12 зависит от коэффициентов т. э. д. с.α1 иα2 веществ термоэлектродов:
α12= α1− α2.
Коэффициенты т. э. д. с. различных веществ определяются по отношению к свинцу, для которого αPb = 0 . Коэффициент т. э. д. с. может иметь как положительное, так и
отрицательное значение и в общем случае зависит от температуры.
Для получения максимальной величины т. э. д. с. необходимо выбирать материалы с наибольшими коэффициентами т. э. д. с. противоположного знака.
При увеличении разности температур спаев т. э. д. с. будет изменяться не по линейному закону, поэтому перед тем, как измерять температуру при помощи термопары, ее градуируют.
Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от температуры жидкого гелия до нескольких тысяч градусов. Чтобы увеличить точность измерений, используют схему включения термопары с термостатированным контактом (рис.4а).
Термоэдс весьма чувствительна к наличию химических примесей в спае. Для предохранения рабочего спая термопары от внешних химических воздействий он может быть помещен в защитную химическую оболочку.
Для увеличения термоэдс, термопары последовательно соединяют в термобатареи. Все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а нечетные при другой. Термоэлектродвижущая сила такой батареи равна сумме т. э. д. с. ее отдельных элементов
(рис. 5).
Рис.5 Термобатарея
Миниатюрные термобатареи, составленные из тончайших полосок двух различных материалов, применяются для регистрации нагретых тел и измерения испускаемого ими электромагнитного излучения. В соединении с чувствительным гальванометром или электронным усилительным устройством они могут обнаружить, например, тепловое излучение человеческой руки на расстоянии в несколько метров. Высокая чувствительность термобатарей позволяет использовать их в качестве датчиков устройств сигнализации повышения температуры.
Термобатареи используются и как генераторы электрического тока. Они просты по устройству и не содержат механических движущихся частей. Однако использование металлических термоэлементов в качестве генераторов малоэффективно, поэтому для преобразования тепловой энергии в электрическую используются полупроводниковые материалы.
Поскольку эффект Пельтье связан с процессами выделения и поглощения тепла, он применяется в устройствах для охлаждения (холодильниках).
ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ
Для градуировки используют заранее известные с высокой точностью значения температуры (например, температура таяния льда, кипения воды, плавления чистых металлов). При градуировке холодный спай термопары термостатируется в сосуде Дьюара с тающим льдом (т.е. поддерживается при температуре 00С), а второй спай поочередно погружается в ванны с известной температурой. Результаты градуировки представляются в виде градуировочной таблицы или графика зависимости т. э. д. с. от температуры.
ПРИЛОЖЕНИЕ
МВ; 7,00мВ.
9.По результатам выполнения измерений ЭДС образцовой термопары (см. табл.1), используя градуировочную таблицу значений ЭДС образцовой термопары, определить разность температур нагретого и холодного концов термопар ∆t и записать в таблицу1.
10. Определить действительные значения температур нагревателя, как tн = ∆t + tср и
записать полученные значения температуры нагревателя в таблицу 1. Здесь tср – температура среды.
11. Используя данные градуировочной таблицы и таблицы 1 построить на миллиметровой бумаге график зависимости ЭДС образцовой и исследуемой термопары от разности температур концов.
12. Используя графики зависимости ЭДС образцовой и исследуемой термопар от разности температур концов по углу наклона полученных прямых, определить значения
коэффициентов т. э.αо12 д. с. образцовой иαн12 исследуемой термопар по формуле:α12 = ∆ε /∆t
13. Коэффициент т. э. д. с.α12 - величина, зависящая от коэффициентов т. э. д. с. веществα1иα2 , из которых изготовлены термопары, и равна их разностиα12 = α1 − α2 .
14. Используя данные таблицы 2 для коэффициентов α1 иα2 т. э. д. с. материалов, из которых изготовлена используемая в данной лабораторной работе в качестве образцовойхромель-копелеваятермопара, рассчитать значение коэффициента т. э. д. с.αо12 этой
термопары. Сравнить полученное значение коэффициента т. э. д. с. αо12 со значением коэффициента т. э. д. с.αо12 , полученным при выполнении п.13 задания.
15. Используя данные таблицы 2 определить материал, из которого изготовлен термоэлектрод А исследуемой термопары, если известно, что термоэлектрод В исследуемой термопары изготовлен из алюмеля, для которого α2 =-17,3мкВ/град
Таблица 2. Коэффициенты термоЭДС некоторых материалов относительно свинца
| Коэффициент | ||||
| Материал | термоЭДС, | |||
| мкВ/град | ||||
| Sb (сурьма) | ||||
| Fe (железо) | ||||
| W (вольфрам) | 3,6 | |||
| Cu (медь) | 3,2 | |||
| Металлы | Au (золото) | 2,9 | ||
| Ag (серебро) | 2,7 | |||
| Pb (свинец) | ||||
| Pt (платина) | -4,4 | |||
| Ni (никель) | -20,8 | |||
| Bi (висмут) | -68 | |||
| Хромель | ||||
| Сплавы | Копель | -38 | ||
| Алюмель | -17,3 | |||
| Нихром | -18 | |||
| Константан | -38 | |||
| MoS | (сульфид | -770 | ||
| молибдена) | ||||
| CuO (окись меди) | -700 | |||
| CdO | (окись | -40 | ||
| Полупроводники | кадмия) | |||
| FeS | (сульфид | |||
| железа) | ||||
| NiO (окись никеля) | ||||
| Cu2O (закись меди) | 1200,00 |
Эффект Пельтье
Пельтье экспериментально обнаружил изменение температуры контакта двух кристаллических решеток (двух металлов) при пропускании постоянного тока. На общем фоне выделения тепла, согласно закону Джоуля – Ленца, одни спаи дополнительно нагревались, а другие – охлаждались. Рассмотрим это явление с физической точки зрения. Пусть электрическое поле направлено слева направо внутри системы кристаллов 1-2-3 (рис.8.14).
Уровни Ферми различны в различных кристаллических решетках. При переходе электрона из кристаллической решетки с большим уровнем Ферми в кристаллическую решетку с меньшим уровнем Ферми происходит выделение теплоты 
, т.к. электрон отдает излишек энергии кристаллической решетке. При переходе в обратном направлении происходит поглощение теплоты , т.к. энергия электронов повышается за счет энергии колебаний атомов кристаллической решетки.
Эффект Пельтье обратим: при пропускании тока в обратном направлении нагреваемый и охлаждаемый спаи меняются ролями.
Из сказанного ясно, что количество выделившегося (поглощенного) тепла пропорционально заряду, перешедшему границу раздела:
, (8.40)
где 
– коэффициент Пельтье.
Коэффициент Пельтье ( ) определяется разностью уровней Ферми и достигает максимального значения для зоны контакта p-n - перехода полупроводников.
Эффект Пельтье нашел практическое применение для создания полупроводниковых холодильников, используемых главным образом в приборостроении.
Явление Зеебека
Зеебек в 1824 г. экспериментально обнаружил появление тока в цепи разнородных металлов за счет разности температур спаев. Было получено
. (8.41)
Однако в широком интервале температур эта зависимость оказалась нелинейной. Для различных термопар коэффициент пропорциональности 
имеет различное значение.
Возникновение термоЭДС, с точки зрения теории Френкеля-Зоммерфельда, обусловлено двумя факторами: перемещением электронов от нагретой части кристалла к охлажденной и перемещением электронов через границу контакта двух металлов (рис. 8.15).
Первый фактор обусловлен наличием градиента концентрации "горячих" электронов. Вследствие чего электроны с горячего конца решетки будут переходить на свободные уровни холодного конца кристаллической решетки. Эту составляющую термоЭДС называют диффузионной.
Второй фактор обусловлен переходом электронов из кристалла с большего уровня Ферми в кристалл с меньшим уровнем Ферми. При этом образуется двойной электрический слой, который препятствует дальнейшему переходу электронов. Возникает скачок потенциала (рис. 8.16):
и
. (8.42)
За счет различия абсолютных значений 
и 
появляется контактная составляющая термоЭДС:
. (8.43)
Обе составляющие термоЭДС в первом приближении находятся в линейной зависимости от разности температур 
. Этим объясняется линейная зависимость термоЭДС от разности температур спаев.
Если цепь составлена из ряда различных металлических проводников, включенных последовательно (рис. 8.17), то термоЭДС определяется только крайними проводниками.
Явление Зеебека применяется для измерения температур по величине термоЭДС. При разработке микросхем, электронной аппаратуры необходимо учитывать возможность возникновения термоЭДС, влияющих на работу схем, осуществлять термостатирование.
Явление Томсона
В однородной металлической цепи, в которой одновременно имеется разность температур и электрический ток, возникает термоэлектрический эффект, называемый явлением (эффектом) Томсона. Он заключается в том, что когда дрейф электронов происходит в том же направлении, в каком происходит распространение тепла, то в проводнике в дополнение к теплу, обусловленному теплопроводностью и джоулевым теплом, прибавляется (или вычитается при противоположном дрейфе) тепло, переносимое электронами:
, (8.44)
где KТ – коэффициент Томсона, зависящий от материала цепи.
Явление Томсона можно объяснить следующим образом. В более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой. Двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они приобретают дополнительную энергию за счет энергии решетки, в результате происходит поглощение теплоты (энергии) Томсона.
заключение
Изложение раздела "Электричество" общего курса физики в виде конспекта лекций закончено. Начав изложение этого раздела с введения, в котором сформулированы основные цели и задачи, в работе последовательно рассмотрены вопросы классической электродинамики, электростатики в вакууме и веществе, понятия электрического поля и его характеристик. Достаточно подробно рассмотрена теорема Остроградского-Гаусса и ее применение. Опираясь на основные законы и понятия электродинамики, проанализировано поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле, а также рассмотрены особенности и поведение электрического поля в них, энергетические соотношения при взаимодействиях в электрическом поле, энергия электрического поля. Даны понятия электрического тока, его действий и условий существования. Разъяснены сущность и различия в понятиях ЭДС, напряжения и разности потенциалов, а также установлена связь между этими величинами. В соответствии с программой курса физики представлена классическая электронная теория проводимости металлов, законы постоянного тока и их применение, электрический ток в вакууме, газах и жидкостях. В доступной форме рассмотрена квантовая теория электропроводности металлов, сверхпроводимость, электропроводность полупроводников и явления, возникающие на границе раздела двух сред.
Приведенный перечень вопросов, изложенных в конспекте лекций, позволяет проследить логику в развитии учения об электричестве и эволюцию его идей, а также представить основные периоды и этапы становления этого учения.
Со времени появления первых гипотез, теорий и экспериментов прошло более трехсот лет. За это время учение об электричестве прошло путь от простейших теорий и экспериментов, от макроскопического уровня изучения явлений до исследования материи на уровне элементарных частиц.
Вместе с тем данная работа не рассчитана на очень детальное теоретическое рассмотрение отдельных вопросов, требующее от студентов специальных математических знаний (тензорного исчисления, интегральных уравнений, специальных функций). Необходимые сведения по данному вопросу содержатся в соответствующей научно-теоретической литературе.
В конспекте лекций акцентируется внимание на то, что электрическая энергия играет большую роль в технике. Огромные успехи, достигнутые в технологической революции, и особенно в XX столетии, связаны в основном с развитием учения об электромагнетизме. Однако современная физика и учение об электричестве стоят перед целым рядом нерешенных проблем.
Например, проблемы: плазмы – разработка методов разогрева плазмы до температур порядка 109 К и ее удержание в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции; физики твердого тела – получение материалов с заданными свойствами и, в частности, с экстремальными параметрами по большому "спектру" характеристик, создание высокотемпературных сверхпроводников.
В настоящее время с особой силой подчеркивается практическая важность фундаментальных исследований. Это, в первую очередь, относится к исследованиям в области современной электроэнергетики. Решение стоящих перед ней проблем является важнейшим условием ускорения научно-технического процесса.
Физика, с одной стороны, является фундаментальной основой приобретения новых знаний как в процессе обучения, так и в процессе работы специалиста, а с другой – она является теоретической базой, без которой невозможна успешная деятельность в области знаний "Технические науки". Кроме того, открываемые новые физические явления или новые свойства тел находят техническое применение уже через несколько лет (и даже в процессе обучения студентов в вузе). Все это требует определенной гибкости учебного процесса и его совершенствования, соответственно, темпам развития науки и техники.
Организация лекционного курса на базе экономичной затраты студенческого и преподавательского времени, предусмотренная данной работой, полностью отвечает основным задачам курса физики в вузах нефизического профиля: развитие логического мышления, расширение представлений о многообразии свойств материи, подготовка к усвоению последующих дисциплин рабочего учебного плана.
Работа выхода
Так как электроны проводимости, имеющиеся в металлах, удерживаются внутри металла, то значит вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил − работа выхода электрона из металла. Наличие работы выхода показывает, что в поверхностном слое металла существует электрическое поле, а следовательно, электрический потенциал при переходе через этот поверхностный слой изменяется на некоторую величину j. Эта поверхностная разность потенциалов связана с работой выхода соотношением:
А = еj (1)
Изменение потенциала внутри металла в отсутствии тока можно представить при помощи диаграммы на рис. 1 (так называемой потенциальной ямы или потенциального ящика).
 | |
|
По вертикальной оси отложена потенциальная энергия электрона, т. е. произведение еj, причем значение потенциала вне металла принято равным нулю. Потенциальная энергия электрона вне металла постоянна, в поверхностном слое она быстро изменяется − уменьшается на величину работы выхода, а внутри металла опять становится постоянной. Потенциальная энергия электрона в металле отрицательна относительно вакуума, а так как заряд электрона отрицательный, потенциал внутри металла имеет относительно вакуума положительное значение.
Получить полный текст
(2)
n1 и n2 − концентрация электронов в обоих металлах; k − постоянная Больцмана; Т − температура металла; е − заряд электрона.
Отсюда
(3)
При комнатной температуре (Т = 300 К) 
, величина 
порядка единицы. Поэтому Ui получается порядка 10-2−10-3 В.
Изучение явления Зеебека
Для изучения явления Зеебека предлагается проградуировать одну термопару по известной зависимости термоЭДС эталонной термопары. Табличка с температурной зависимостью термоЭДС эталонной термопары находится на рабочем месте. При градуировке термопар, т. е. получении зависимости e = f(t0),значения термоЭДС (e) снимаются с соответствующего мультиметра, а значения температуры при данном e определяются по таблице для эталонной термопары.
1. Подключите мультиметры к термопарам. Переключатель видов измерений установите на измерение постоянного напряжения с пределом измерения 200 мВ.
2. Включите мультиметры
3. Включите нагреватель в сеть 220 В.
4. Запишите значения термоЭДС обеих термопар при нагревании в Табл. 1, Не менее 5-ти значений в интервале температур от комнатной до 100 
, не менее 5-ти значений в интервале температур от 100 до 200 и не менее 5-ти значений в интервале температур от 200 до 300 . Предварительно посмотрите в таблице для эталонной термопары, какие величины ЭДС соответствуют примерно этим температурам, чтобы определить нужные пределы.Измерения следует проводить до значений ЭДС на эталонной термопаре хромель-алюмель примерно до 12 мВ.
5. Занесите результаты измерений в табл. 1.
6. Постройте по результатам измерений зависимость термоЭДС от температуры «горячего» спая обеих термопар. Температуру «горячего» спая в эксперименте можно определить по формуле:
t = tтабл+ tx,
где tтабл - температура «горячего» спая термопары по таблице, t - температура «горячего» спая термопары в эксперименте, tx – температура «холодного» спая в эксперименте (комнатная температура). Если холодный спай помещен в лед или снег, то температура холодного спая будет равна 0 0С.
Таблица 1
| Номер измерения | Разность температур DТ | Температура горячего спая t 0С  | ТермоЭДС, мВ | ||
| Эталон хромель-алюмель | Медь-константан | Железо-константан | |||
| … |
7. Определите, используя формулу (5), удельную термоЭДС обеих термопар в интервалах температур : 0 - 1000С, 100 - 2000С, 200 - 3000С. Результаты представьте в табл. 2.
Таблица 2
| Термопары | УдельнаятермоЭДС (a), мВ/К | ||
| 0 - 1000С | 100 - 2000С | 200 - 3000С | |
| Хромель-алюмель | |||
| Медь-константан | |||
| Железо-константан | |||
8. По результатам измерений сделайте качественный вывод о влиянии температуры на концентрацию электронов в исследуемых парах различных металлов.
Рекомендации по выполнению упражнения 2
Дождитесь стабильных максимальных показаний мультиметра, который показывает температуру стороны, не прижатой к тепловому рассеивателю. Другой мультиметр показывает температуру стороны, соединенную с тепловымрассеивателем.
7. Запишите величину тока, температуру горячей стороны и температуру стороны, прижатой к рассеивателю в табл. 3.
Контактные явления. Работа выхода. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления. ТермоЭДС. Эффект Пельтье.
Результирующая контактная разность потенциалов равна:
| kT | n | |||||||
| ϕ − ϕ | = −(A | − A ) /е+ | ln | . (3) | ||||
| e | ||||||||
| n | ||||||||
Рассмотрим случай, когда в соприкосновение приведены три разных проводника, находящихся при одинаковой температуре.
Разность потенциалов между концами разомкнутой цепи будет равна алгебраической сумме скачков потенциалов во всех контактах:
| ϕ1− ϕ3= (ϕ1− ϕ2) + (ϕ2− ϕ3) , | (4) |
откуда используя соотношения (1) и (2) получаем:
| kT | n | ||||||
| ϕ − ϕ | = −(A −A ) / е+ | ln | . (5) | ||||
| e | |||||||
| 1 3 | n | ||||||
Как видно, контактная разность потенциалов не зависит от промежуточного проводника.
Рис.1 Соединение трех различных проводников
Если замкнуть электрическую цепь, представленную на рисунке 1, то приложенная э. д. с. ε будет равна алгебраической сумме всех скачков потенциалов, которые имеют место при обходе цепи:
ε = (ϕ1 − ϕ2 )+ (ϕ2 − ϕ3 )+ (ϕ3 − ϕ1) , (6)
откуда следует, что ε=0.
Таким образом, при образовании замкнутой электрической цепи из нескольких металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, э. д. с. за счет контактной разности потенциалов не возникает. Чтобы ток возник, спаи проводников должны находится при разных температурах.
Контактная разность потенциалов возникает не только между двумя металлами, но также и между двумя полупроводниками, металлом и полупроводником, двумя диэлектриками.
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Известно, что работа выхода электронов из металла зависит от температуры. Следовательно, контактная разность потенциалов также зависит от температуры. Если температура контактов замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, неодинакова, то полная э. д. с. контура не будет равна нулю, и в цепи возникает электрических ток. Явление возникновения термоэлектрического тока (эффект Зеебека) и связанные с ним эффекты Пельтье и Томсона относятся к термоэлектрическим явлениям.
ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА
Эффект Зеебека заключается в возникновении электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру. Этот эффект был обнаружен немецким физиком Т. Зеебеком в 1821 году.
Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух проводников 1 и 2 с температурами спаев ТА (контакт А) и ТВ (контакт В), представленную на рисунке 2.
Рис.2
Считаем, ТА >ТВ. Электродвижущая силаε, возникающая в данной цепи, равна сумме скачков потенциалов в обоих контактах:
| ε =(ϕ1 −ϕ2 )+(ϕ2 −ϕ1) . | (7) |
Используя соотношение (3), получим:
| k | n | ||||||||
| ε =(Т | −Т | ) | ln | . | (8) | ||||
| e | |||||||||
| А | В | n | |||||||
Следовательно, в замкнутой цепи возникает э. д. с., величина которой прямо пропорциональна разности температур на контактах. Это и есть термоэлектродвижущая сила
(т. э. д. с.).
Качественно эффект Зеебека можно объяснить следующим образом. Сторонние силы, создающие термоэдс, имеют кинетическое происхождение. Так как электроны внутри металла свободны, то их можно рассматривать как некоторый газ. Давление этого газа должно быть одинаковым по всей длине проводника. Если разные сечения проводника имеют разные температуры, то для выравнивания давления требуется перераспределение концентрации электронов. Это и приводит к возникновению тока.
Направление тока I, указано на рис. 2, соответствует случаю ТА>ТВ, n1>n2. Если изменить знак у разности температур контактов, то направление тока измениться на противоположное.
ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ
Эффектом Пельтье называется явление выделения или поглощения дополнительной теплоты, помимо джоулева тепла, в контакте двух различных проводников в зависимост<