Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления Зеебека и Пельтье.

Контактная разность потенциалов (КРП). Установлено, что если образцы металлов привести в контакт в указанной последовательности <Al,Zn,Sn,Pb,Sb,Bi,Hg,Cu,Ag,Au,Pt,Pd ряд Вольта>, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих металлов зарядится положительно. При дальнейшем рассмотрении было установлено следующее:

1.Контактная рaзнoсть потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2.КРП последовательно соединённых различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химич. состава промежуточ. проводников, а равна КРП, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

3.Наблюдается внутренняя и внешняя КРП. Для объяснения явлений КРП, в основном, используются представления зонной теории проводимости. Однако, наиболее общие черты различия внутренней и внешней КРП формулируются относительно просто. В металлах или их сплавах могут не совпадать величины работ выхода А₁ и А₂ ¾ это свойства каждого из металлов в отдельности. Т.е., для электронов в точках вблизи поверхности потенциальные энергии оказываются различными и, следоват-но, между этими точками должна устанавливаться разность потенциалов, называемая внешней КРП В квантовой теории доказывается, что причиной возникновения внутренней КРП является различие концентраций электронов в контактирующих металлах. Внутренняя КРП возникает в двойном электрич. слое, к-рый образуется в приконтактной поверхностной области и представляет из себя контактный слой. Его толщина составляет ~10^-10м, т.е., сравнима с расстояниями между ионами в узлах кристаллич. решётки материала. Ток ч/з контактный слой металлов происходит так же легко, как и ч/з металлы, и не дает эффекта выпрямления. Эффект выпрямления электрич. тока всегда связан с односторонней проводимостью.

Явление Зеебека. Если температуры в местах контактов разные, различна для спая тех же материалов и величина КРП. В цепи, образованной проводниками из разных металлов, тогда м-т возникнуть электрич. ток, и это явление назвали термоэлектричеством. Явление термоэлектричества открыто в 1821 г. Зеебеком, к-рый его подробно исследовал (им, однако, было дано неверное объяснение его причин). Зеебеком обнаружено возникновениe ЭДС в замкнутой цепи, образованной спаями 1 и 2 двух разных металлов А и В . Её величина зависела от разности температур спаев a(Т₂-Т₁), параметр a называют удельной термоэдс данной пары металлов или полупроводников. Для большинства металлов a~ 10^-5…10^-4 В/К, для полупроводников же значения a могут достигать ~1.5 10^-3 В/К.

ü Явление Зеебека используется для измерения температуры с помощью устройств, называемых термопарами. Один спай термопары поддерживают при постоянной температуре, другой помещают в тот объём, температуру к-рого необходимо измерить. О величине температуры судят по величине силы возникающеготермотока. С помощью термопар возможны измерения до сотых долей градуса.

В явлении Пельтье обнаруживается, что при прохождении тока ч/з контакт двух различных проводников в зависимости от направления тока выделяется или поглощается дополнительная теплота (т.е., это явление обратно по отношению к явлению Зеебека). В отличие от джоулевой теплоты эта теплота Q_AB пропорциональна 1-ой степени температуры: Q_AB = P_AB×q = P_AB×it (здесь P_AB - удельная по отношению к прошедшему заряду q теплота Пельтье), и меняет знак при изменении направления тока. Кратко явление интерпретируют так. Электроны по разные стороны спая обладают различной средней энергией. Если эл-ны при переходе ч/з спай попадут в области с меньшей энергией, то избыток своей энepгии они отдадут кристаллич. решетке и спай будет нагреваться. В обратной ситуации, т.е., в области с большей энергией, поток электронов будет «забирать» недостающую энергию у кристаллич. решётки, спай же будет охлаждаться. Явление Пельтье используется в термоэлектрич. полупроводниковых холодильниках.

Контактные явления

Если говорить языком электронной теории, то два разнородных металла отличаются друг от друга различной концентрацией электронов и различной работой выхода (А_вых), а полупроводники разных типов - ещё и основными носителями тока. Исходя из зонной теории можно сказать, что два разнородных металла отличаются друг от друга энергией Ферми - верхним занятым электронами уровнем.

Что произойдёт, если сблизить два разнородных металла или два полупроводника с различным типом проводимости или металл и полупроводник до межатомного расстояния? Оказывается, что при этом обнаружат себя весьма интересные явления, которые получили названия контактных.

При контакте двух металлов вследствие теплового движения электроны, энергия которых достаточна для того, чтобы покинуть металл, начнут проходить через границу раздела металлов. Чем меньше работа выхода металла, тем больше число таких электронов. Итак, при контакте двух металлов возникает двойной электрический слой.

С возникновением двойного электрического слоя условия движение электронов через границу раздела металлов изменяются. Теперь электроны движутся во внутреннем электрическом поле, электрические силы которого тормозят переход электронов из металла 1 в металл 2 (рис34)

рис. 34

и «помогают» электронам, переходящим из металла 2 в металл 1. Так продолжается до тех пор, пока не наступит «динамическое равновесие» - непрекращающееся движение электронов из одного металла в другой никак не изменяет возникшей между металлами контактной разности потенциалов ∆φ=φ₁-φ₂.

При контакте двух полупроводников n-типа вследствие теплового движения диффундируют в полупроводник р-типа. Встреча электрона с дыркой приводит к уничтожению дырки, т.е. при встрече электроны рекомбинируют с дырками. В результате этого атомы примеси становятся отрицательными ионами. В тонком слое полупроводника р-типа вблизи контакта образуется избыточный отрицательный заряд. Дырки из полупроводника р-типа также вследствие теплового движения диффундируют в полупроводник n-типа, частично рекомбинируют с электронами, в результате чего в тонком слое полупроводника n-типа создаётся избыточный положительный заряд.

Возникший в месте контакта двойной электрический слой создаёт электрическое поле напряжённостью Е_вн, которое препятствует движению основных носителей заряда из одного полупроводника в другой. Поскольку в контактном слое мало носителей тока, он обладает повышенным электрическим сопротивлением и препятствует прохождению электрического тока через контакт полупроводников. По этой причине двойной контактный слой называют ещё запирающим. Контакт двух полупроводников разных типов называют также р-n-переходом.

5.9 Термоэлектрические явления

К сожалению, контакт двух металлов с его разностью потенциалов ∆φ нельзя использовать как источник электрической энергии не потому, что ∆φ мало, а потому, что в замкнутой цепи, составленной из различных металлов, находящихся при одинаковой температуре, сумма всех контактных разностей потенциалов равна нулю.

Сформулированный выше вывод справедлив лишь при условии, что температуры контактирующих металлов одинаковы.

Но если в замкнутом контуре, составленном из двух металлических проводников, контакты имеют различные температуры, то сумма контактных разностей потенциалов будет отлична от нуля. Это означает, что в контуре будет действовать электродвижущая сила, которую называют термоэлектродвижущей, а в замкнутом контуре установится электрический ток, называемый термоэлектрическим.

Термоэлектродвижущая сила ε пропорциональна разности температур контактов: ε =α(Т₁-Т₂).

Явление термоэлектричества было открыто около 150 лет назад голландским физиком Зеебеком и давно используется в лабораторной технике для измерения температур. Принципиальная схема термоэлектрического термометра показана на рис (35).

рис.35

Металлы 1 и 2, составляющие термопару, подбирают так, чтобы чувствительность её была наибольшей. Один спай помещают в место, температуру которого нужно измерить, а температуру другого спая поддерживают постоянной. При не очень точных измерениях второй спай находится просто в воздухе. При точных измерениях его погружают в сосуд Дьюара, заполненный, например, жидким азотом или тающим льдом. К клеммам аб подключают чувствительный гальванометр. Термопары позволяют измерять как очень высокие, так и очень низкие температуры, которые невозможно измерить обычным жидкостным термометром.

Для увеличения чувствительности вместо одной термопары берут несколько термопар, соединенных последовательно. Э.д.с. полученной термобатареи равна сумме э.д.с. отдельных термопар. Термостолбики монтируют так, что все нечётные спаи находятся на поддерживающей рамке, а все чётные - в середине рамки. Рамка с термобатареей помещена внутрь закрытого металлического кожуха, имеющего небольшое оконце, через которое падающее на термостолбик излучение нагревает чётные спаи термобатареи. Если подсоединить такой термостолбик к проекционному гальванометру, то можно убедится, что он обнаруживает тепловое излучение человеческой руки, удалённой от него на расстоянии нескольких метров. Такое излучение вызывает разность температур спаев лишь около миллионной доли градуса.

Термоэлемент можно использовать для превращения тепла, нагревающего горячий спай, в электрическую энергию. Однако при этом значительная часть тепла отдаёт холодным спаем окружающей среде, теряет за счёт хорошей теплопроводности металлов, поэтому доля тепла, превращаемого в электрическую энергию, невелика. Величина же термоэлектродвижущей силы таких элементов незначительна, так как у металлов число свободных электронов и их энергия практически не зависят от температуры. К.п.д. таких термоэлементов не превышает 0,5% . Поэтому они непригодны в качестве генераторов электрической энергии.

Дальнейший шаг на пути создания термоэлементов с более высокимк.п.д. - создание термоэлемента из двух полупроводников. Идея создания полупроводниковых термоэлементов принадлежит советскому физику академику А.Ф.Иоффе.

Конструктивно полупроводниковый термоэлемент может быть оформлен так, как показано на рисунке 36

рис.36

верхние концы полупроводниковых брусочков 1 и 3 с разным типом проводимости замкнуты медной пластинкой 2. П-образные, стальные пластины радиатора 4 предназначены для отвода теплоты и поддержания необходимой разности температур при работе термоэлемента. Медная пластина 2, замыкающие горячие концы полупроводников, не оказывает влияния на величину термо-э.д.с. такого термоэлемента, так как оба конца её находятся при одной и той же температуре.

Величина термо-э.д.с. в полупроводниковых термоэлементах больше, чем у металлических термопар, не только за счёт меньшей теплопроводности полупроводников. Основная причина состоит в том, что в полупроводниках нагревание увеличивает не только кинетическую энергию электронов и дырок, но и их концентрацию.

В результате повышения концентрации основных носителей тока – электронов в полупроводнике n–типа (рис37) и дырок в полупроводнике р-типа(рис 38) и увеличение энергии их движения изменяется распределение зарядов в внутри полупроводника: основные носители тока «устремляются» к холодному концу, «обнажая» ионы примеси. Такое перераспределение зарядов влечёт за собой образования внутреннего электрического поля, которое по мере возрастания замедляет движение зарядов от горячего конца к холодному. В результате совместного действия этого поля и соответствующей разности температур устанавливает равновесие, характеризуемое определённой разностью потенциалов между нагретым и холодным концами полупроводника. Если включить такой полупроводник в цепь и замкнуть её, то в цепи появится ток.

рис. 37 рис. 38

При прохождении тока через цепь, состоящую из двух спаянных металлов, наблюдается эффект, обратный явлению термоэлектричества, т.е. температура одного из контактов повышается, а другого - понижается. Этот эффект был обнаружен в 1834 году французским физиком Пельтье. Изменив направление тока в термобатареи, можно холодильник превратить в генератор. На основе явления Пельтье разработан термоэлектрический способ отоплений.