Внешняя контактная разность потенциалов

На диаграммах рис.3 показано возникновение внешней КРП при соприкосновении двух разнородных металлов. На диаграмме рис. 3a показано, что два различных металла 1 и 2, разобщенные друг от друга, характеризуются своими потенциальными ямами, причем, с точки зрения классической теории металлов, глубина потенциальной ямы равна термоэлектронной работе выхода электрона из металла ej.

Внешняя контактная разность потенциалов - student2.ru
Рис. 3

При соприкосновении кусков металла в контактном слое вследствие диффузии электронов установится скачок потенциала Ui , равный внутренней КРП, и между днищами обеих потенциальных ям будет энергетическое расстояние eUi (рис. 3б). Но так как глубины потенциальных ям различны, то их внешние края окажутся на разных высотах. Это значит, что между двумя любыми точками А и Б, находящимися вне металлов, но расположенных в непосредственной близости от их поверхностей, возникает разность потенциалов. Она получила название внешней КРП между двумя металлами (первый закон Вольта) и равна

Внешняя контактная разность потенциалов - student2.ru (4)

Здесь А1 и А2 − работы выхода электронов, соответственно, из металлов 1 и 2; Т − абсолютная температура спая.

Явление Зеебекаоткрыто в 1821 г. и заключается в том, что в термопарах, спаи которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Схематически термопара показана на рис. 4. Легко видеть, что термоЭДС термопары, показанной на схеме, равна

Внешняя контактная разность потенциалов - student2.ru .

Внешняя контактная разность потенциалов - student2.ru Учитывая уравнение (4), имеем

Внешняя контактная разность потенциалов - student2.ru (5)

Коэффициент

Внешняя контактная разность потенциалов - student2.ru (6)

Рис. 4

называют удельной (дифференциальной) термоЭДС.

Как видим, a зависит от концентрации электронов в металлах, составляющих термопару. В отдельных случаях a слабо зависит от температуры и тогда он остается одинаковым для данной термопары в широком интервале температур. Однако в некоторых случаях концентрация электронов заметно меняется при изменении температуры, и тогда a является константой для узких интервалов температур.

Явление Зеебека и термопары широко используются в устройствах для измерения температур в различных технологических процессах. Термопары из полупроводниковых материалов, имеющие более высокий КПД, начинают применяться как источники электроэнергии.

Рис. 5

Явление Пельтье открыто в 1834 г. и заключается в том, что если пропускать ток через термопару, то в одном спае будет выделяться тепло, а в другом − поглощаться. Опытным путем установлено, что количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла пропорционально заряду q, прошедшему через спай: Внешняя контактная разность потенциалов - student2.ru , где I - ток в термопаре, t - время процесса выделения тепла. Коэффициент пропорциональности П12 называется коэффициентом Пельтье. Индекс 12 показывает направление тока (от металла 1 к металлу 2).



 
Рис. 5
 
Внешняя контактная разность потенциалов - student2.ru


Если поменять направление тока, то изменится знак коэффициента П12 = - П21 и знак теплоты. Если в спае 1 выделялось тепло, то при изменении направления тока в нем будет поглощаться тепло. В классической теории электропроводности теория явления Пельтье качественно объясняется следующим образом. Потенциальная энергия электрона в металле с избытком положительного заряда отличается от его энергии в металле с избытком отрицательного заряда. При переходе через границу (контакт) электроны избыточную энергию передают кристаллической решетки при столкновениях с ней и спай нагревается. При переходе в металл, в котором электрон имеет меньшую энергию, чем все остальные, он дополняет этот дефицит за счет энергии решетки, и спай охлаждается.выдвинул идею использования явления Пельтье для создания холодильных установок. В настоящее время эта идея реализуется. Преимуществом таких холодильных установок является отсутствие в них движущихся элементов. Для усиления эффекта устанав­ливают термобатареи, пред­ставляющие собой ряд после­довательно соединенных тер­мопар, у которых пространст­венно разделены «холодные» и «горячие» спаи (рис. 5). В таком случае тепло Пельтье будет пропорционально числу спаев.

Внешняя контактная разность потенциалов - student2.ru , (7)

где N - число «холодных» или «горячих» спаев. При пропускании тока через систему термопар наряду с теплом Пельтье выделяется и Джоулево тепло. Основное их отличие заключается в том, что тепло Пельтье пропорционально первой степени тока, см. (7) и (8), и его знак зависит от направления тока. Джоулево тепло пропорционально квадрату силы тока (QДж = I2Rt) и оно всегда выделяется.



Наши рекомендации