Работа №8

Изучение термоэлектрических явлений

Приборы и принадлежности: термопары, плитка, гальванометр, магазин сопротивлений.

Цель работы: теоретическое знакомство студентов с явлением преобразования тепловой энергии в электрическую при контакте разнородных металлов с классической и квантово-механической точки зрения; расширение познаний в области теории электронных свойств металлических проводников. С другой стороны, выполнение лабораторной работы должно научить студентов применять основные законы изучаемого явления на практике.

1. Основные положения

1.1 Классическая теория

Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном тепловом движении. Наиболее быстро движущиеся электроны, обладающие достаточно большой кинетической энергией, могут вырываться из металла в окружающее пространство. При этом они совершают работу как против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникающего в металле в результате их вылета, так и против сил отталкивания со стороны ранее вылетевших электронов, образующих вблизи поверхности проводника электронное облако. Между электронным газом в металле и электронным "облаком" существует динамическое равновесие.

Недостаток электронов в металлическом проводнике и их избыток в окружающем пространстве, образовавшиеся в результате вылета части электронов из металла, проявляются только в очень тонком слое по обе стороны от поверхности проводника. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям в металле. В первом приближении можно считать, что поверхность металла представляет собой двойной электрический слой, подобный весьма тонкому конденсатору.

Электрон, вылетая за пределы металла, должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя. Работу, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в безвоздушное пространство, называют работой выхода A. Характеризующую это поле разность потенциалов  принято называть поверхностным скачком потенциала, контактной разностью потенциалов между металлом и окружающей средой или потенциалом выхода ^K,

A = e^K . (1)

Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности: загрязнения, следы влаги и пр. изменяют ее величину. Для чистых металлов работа выхода колеблется в пределах нескольких электрон-вольт.

Р ассмотрим контакт различных металлов 1 и 2 (рис. 1). Обозначим работу выхода электронов из первого металла A₁, концентрацию электронов в нем n₀₁; для второго металла соответственно A₂ и n₀₂. Пусть A₂ > A₁, n₀₁ > n₀₂. При этих условиях наиболее быстрые электроны при хаотическом тепловом движении будут преимущественно переходить через поверхность контакта из первого металла во второй, в результате чего в первом металле появится их недостаток, и металл 1 зарядится положительно, а во втором - их избыток, и металл 2 зарядится отрицательно. Избыточный положительный заряд в 1-ом металле и избыточный отрицательный заряд во 2-ом распределяется вблизи поверхностей металлов, которые будут являться эквипотенциальными. Таким образом, возникает контактная разность потенциалов (КРП).

П ри определенных условиях наступит равновесие. Пусть потенциал точки внутри металла 1 вблизи его поверхности равен ₁ⁱ, а вне металла - ₁^k. Для металла 2 - соответственно - ₂ⁱ и ₂^k. КРП между точками, лежащими внутри металлов вблизи их поверхности, Uⁱ₁₂=₁ⁱ₂ⁱ называется внутренней КРП, а между точками вне металла U^k₁₂=₁^k₂^k - внешней КРП. Для нахождения внешней КРП U^k₁₂, определим работу против сил электростатического поля при перенесении электрона по замкнутому пути abcd (рис. 2). Из потенциальности электростатического поля следует, что эта работа равна нулю:

A = A_ab+ A_bc+ A_cd+ A_da= e(₁ⁱ₂ⁱ) + e(₂ⁱ₁^k) + 0 + e(₁^k₁ⁱ) = 0.

Отсюда

.

Так как заряд электрона отрицательный, то

. (2)

Внешняя КРП связана с различием в работах выхода электрона из металлов.

Внутренняя КРП связана с различием концентрации электронов в металлах.

Согласно теоретическим расчетам

. (3)

Обе причины возникновения КРП (различие в работах выхода и концентраций свободных электронов) могут действовать как в одном и том же направлении, так и в противоположных.