1. Контакт двух металлов

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемых контактом разных потенциалов. Если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Это ряд Вольта. Вольт экспериментально установил 2 закона:

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

2 ) Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при постоянной температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Р ассмотрим контакт двух металлов с различными уровнями Ферми и различными работами выхода (рис. 9.1). Если , то уровень Ферми располагается в металле 1 выше, чем 2. Следовательно, при контакте электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие 2, что приведет к заряду металла 1 положительно, а металла 2 – отрицательно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле 1 заряжающиеся положительно все уровни смещаются вниз, а в металле 2 заряжающиеся отрицательно – вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор пока не установятся уровни Ферми (рис. 9.2). Следовательно, между точками А и В устанавливается разность потенциалов – внешняя контактная разность потенциалов, которая определяется (рис.9.2).

Т.к. по условию, уровни Ферми различны для данных металлов, то возникает внутренняя контактная разность потенциалов, которая определяется (рис. 9.2).

Причиной возникновения контактной разности потенциалов является различие концентрации электронов в контактных металлах, и она зависит от температуры Т. Как правило, . Внутренняя контактная разность потенциалов возникающая в двойном электрическом слое и образующаяся в приконтактной области, называемым контактным слоем и равна , т.е. соизмерима с междуузельными расстояниями в решетке металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и в металле в любом направлении.

2. Термоэлектрические явления

Если температура контактов различных металлов, соединенных между собой, неодинакова, то в цепи возникает электрический ток – называемый термоэлектрическим.

Д анное явление получило название явление Зеебека ( обнаружено в 1821 г. Германия).

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух последовательно соединенных разнородных проводников 1 и 2 с темпрературами слоев и слоя B – T₂, причем (рис. 9.3).

В замкнутой цепи для таких пар разнородных металлов, как: Cu – Bi; Ag – Cu; Au – Cu возникает ЭДС. называется термо ЭДС. Направление I указано стрелкой. Причина возникновения термо ЭДС: разные температуры . Значит , следовательно величина большая. Расчеты и эксперименты показывают, что  может быть записана в следующем виде:

.

Явление Зеебека используется для измерения температуры термоэлементов или термопар. На практике часто используются термопары, состоящие из особо подобранных сплавов, например: ХК – хромель – копель, ХА – хромель – алюмель. Термопары могут быть соединены последовательно, т.е. образовывать термобатареи. Термобатареи создают ЭДС, равную (рис. 9.4): .

Т акие устройства разность температур непосредственно преобразуют в разность потенциалов.

В 1834 г. во Франции было обнаружено еще одно контактное термоэлектрическое явление, которое по имени открывателя было названо эффектом Пельтье.

При прохождении электрического тока через контакт двух разнородных металлов, помимо обычной джоулевой теплоты поглощается или выделяется дополнительное количество теплоты. Явление Пельтье, таким образом, является обратным по отношению к явлению Зеебека. Пусть замкнутая цепь состоит из двух разнородных металлов 1 и 2, по которым пропускается ток , его направление выбрано совпадающим с термотоком при условии (рис. 9.5). При прохождении тока спай А будет охлаждаться, а спай В – нагреваться. При изменении направления тока спай А будет нагреваться, а спай В – охлаждаться. Если электроны пройдут спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетке и спай будет нагреваться. В спае А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь недостающую энергию у кристаллической решетки и спай будет охлаждаться. При этом количество теплоты, выделяющееся в контактах А и B, пропорционально количеству заряда прошедшего через контакт:

,

г де - коэффициент Пельтье, который равен ;  - удельная термо ЭДС эффекта Зеебека.

Подобно термобатареям элементы (пары) Пельтье могут быть соеденены последовательно, что позволяет пропорционально увеличить количество тепла выделяемого или поглощаемого.

Это явление используется в термоэлектрических полупровод-никовых холодильниках (охлождение до -50⁰ С).

Явление Томсона (1856 г.).

При прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогично теплоте Пельтье. Объясняется это таким образом: т.к. в более нагретой части проводника электроны имеют большую энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если же электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они, наоборот, пополняют свою энергию за счет энергии решетки, в результате чего происходит поглощение теплоты Томпсона. Теплоту Томпсона можно расчитать по формуле:

,

где I – ток; - длина проводника; Q – количество тепла;  - коэффициент Томпсона.