1.6. Законы Вольты

Возникновение контактной разности потенциалов между соприкасающимися металлами было открыто в конце 18 в. итальянским физиком А.Вольтой. Он экспериментально установил два закона.

Первый закон Вольты:

При соединении двух проводников, изготовленных из различных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов, которая только зависит от их химического состава и температуры (см. формулу (6)).

Второй закон Вольты:

Разность потенциалов между концами цепи, состоящей из последовательно соединённых металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников; она равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников (рис. 5)

В

Рис. 5.

торой закон Вольты является следствием закона сохранения энергии: если бы в замкнутой цепи абсолютно неизменяющихся проводников возникал электрический ток, то можно было бы от такой системы получить неограниченное количество электрической энергии без затрат других видов энергии.

Закон Вольты можно получить из формулы (6), сложив контактные разности потенциалов, возникающей между каждой парой соприкасающихся металлов. В результате получим:

. (8)

Из (8) следует, в частности, если крайние проводники одинаковы, то ; и , т.е. электрического тока не будет.

Для замкнутой цепи, составленной из произвольного числа разнородных металлов и полупроводников, с одинаковой температурой всех спаев, сумма скачков потенциалов будет равна нулю. Поэтому ЭДС в цепи возникнуть не может.

Вольта доказал существование разности потенциалов следующим опытом. На стержень электроскопа насажены два диска из разных материалов (цинк и медь) покрытых тонким слоем диэлектрика и приведены в соприкосновение. На короткое время диски замыкаются медной проволокой. При этом между ними возникает контактная разность потенциалов, причем цинк заряжается положительно, а медь – отрицательно. При этом наблюдается небольшое расхождение листочков электроскопа. Для увеличения показаний электроскопа снимается медная проволока и диски раздвигаются. Так как заряд, образованного из двух дисков конденсатора не изменяется, а емкость уменьшается, то напряжение на конденсаторе возрастает. При этом листочки электроскопа расходятся.

1.7. Эффект Зеебека. Термоэлектрические явления

Термоэлектрическими называют такие явления, в которых проявляется специфическая связь между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

Эффект Зеебека – явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Эффект Зеебека иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

Данный эффект был открыт в 1821г. Т. И. Зеебеком. В 1822 г. он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук. Наиболее правильное определение этого эффекта следующее: a difference of potential will occur if a homogeneous material having mobile charges has a different temperature at each measurement contact. (Если гомогенный материал, обладающий свободными зарядами, имеет разную температуру на измерительных контактах, то между контактами возникает разность потенциалов).

Термоэдс , электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, имеющих в местах контактов различную температуру.

Э

Рис. 6.

ффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из двух металлических проводников 1 и 2 (рис. 6).

а) Температуры спаев одинаковы

По закону Ома ЭДС в цепи равна сумме падений напряжений на участках цепи:

,

где – падение напряжения на участке 1А2, – падение напряжения на участке 2В1; – контактные разности потенциалов.

Так как температуры спаев одинаковы , то:

.

Таким образом, в замкнутой цепи, образованной из нескольких металлических проводников, все спаи которой находятся при одинаковой температурах, невозможно возникновение ЭДС за счёт одних только контактных скачков потенциалов.

б) Температуры спаев различны

В этом случае:

.

Обозначим: – удельная термоэдс, характеризует свойства контакта данных двух металлов.

В простейшем случае удельная термоэдс определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак.

Тогда: . (9)

Т.е. термоэдс зависит от рода соприкасающихся металлов и разности температур спаев.

Более корректное выражение для термо-ЭДС: