1.16. Электрические явления в контактах

1.16.1. Контактная разность потенциалов

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникнет контактная разность потенциалов (Вольта, 1797 г.).

Вольта расположил металлы в ряд: Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd так, что при соприкосновении их попарно каждый предыдущий металл получает более высокий потенциал, чем последующий.

Рис. 1.11

Если привести в контакт более двух металлов (рис. 12.11, а) то разность потенциалов между первым и последним металлами не зависит от того, какими промежуточными металлами они разделены (закон последовательных контактов Вольта).

Если же контактирующие металлы при постоянной температуре замкнуть кольцо, то ЭДС в замкнутой цепи отсутствует (рис. 1.11, b). Для объяснения возникновения контактной разности потенциалов можно привлечь модель свободных электронов.

Приведем два металла 1 и 2 в контакт (рис. 1.12, где черным кружком обозначены электроны). Так как уровни Ферми (W_F1  W_F2) металлов различны, то не равны и концентрации электронов в них (n₀₁  n₀₂). При Т= 0 К

Рис. 1.12

в се энергетические уровни вплоть до уровня Ферми будут заполнены электронами.

В случае W_F1 < W_F2 после приведения металлов в контакт начнется диффузия электронов из металла 2 в 1, так как работа выхода во втором металле меньше, чем в первом.

В результате металл 2 заряжается положительно, а металл 1 - отрицательно.

Если же контактирующие металлы при постоянной температуре замкнуть в кольцо, то ЭДС в замкнутой цепи отсутствует (рис. 1.11, b).

Потенциал металла 1 повышается, а металла 2 - понижается. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми металлов не станут равными, и наступит состояние динамического равновесия: W_F1 = W_F2. На границе раздела возникает скачок потенциала, т. е. появляется электрическое поле контакта, препятствующее диффузии.

Разность потенциалов (_i2 - _i1) называют внутренней контактной разностью потенциалов.

Рис. 1.13

В нутреннюю контактную разность потенциалов можно найти по формуле

, (1.66)

где h = 6,6310^34 Дж с; m - масса покоя электрона; q_e - заряд электрона.

Полученный результат остается справедливым при любых температурах.

Если же между металлами имеется зазор АВ (рис.1.13), то между ними возникнет разность потенциалов во внешних точках 1^* и 2^* (_е2 - _е1), называемую внешней контактной разностью потенциалов.

_е2 - _е1 = (А₂ - А₁)/q_e, (1.67)

где А₁ и А₂ - работы выхода электронов из металлов 1 и 2 соответственно.

1.16.2. Термоэлектричество.

а). Явление Зеебека

Согласно закону последовательных контактов в замкнутой цепи их нескольких металлов (полупроводников) ток в цепи отсутствует, если все тела находятся при одинаковой температуре. Однако, если в местах контакта температуры разные, то появляется термоэлектрический ток (Зеебек, 1821 г.).

Возникновение термоЭДС (т) в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединенных разных металлов, если места спая (контакта) находятся при различных температурах, называют явлением Зеебека

Рис. 1.14

т = , (1.68)

где  - удельная термоЭДС.

Простейшая электрическая цепь (рис. 1.14) представляет собой термоэлемент (термопару). Если Т_а и Т_b - температуры спаев а и b, то

т = , (1.69)

где ₁₂ = ₂ - ₁.

Рис. 1.15

П ри Т_b > Т_а, т > 0, то₁₂ > 0 (ток течет по часовой стрелке).

При Т_b > Т_а, т < 0, то₁₂ < 0 (ток течет против часовой стрелки).

Возбуждение термоэлектрического тока можно наблюдать на опыте, схема которого приведена на рис. 1.15, где к пластинке из сурьмы Sb припаяна медная Cu пластинка.

Между ними помещается магнитная стрелка NS. Если один из спаев нагреть, то появится ток, и магнитная стрелка отклонится.

По направлению отклонения магнитной стрелки можно судить о направлении тока в цепи. Оказывается, что через нагретый спай ток течет от меди к сурьме. Если охладить тот же спай, то направление тока меняется на противоположное.

Явление Зеебека обусловлено следующими причинами:

1. Преимущественной диффузией носитлей тока в металлах (полупроводниках) от нагретого конца к холодному (₀ - объемная составляющая термоЭДС);

2. Зависимостью контактной разности потенциалов от температуры, связанной с зависимостью химического потенциала (уровня Ферми) от температуры (_к - контактная составляющая термоЭДС);

3. Увлечением электронов фононами, преимущественно перемещая их в том же направлении (_ф - фононная составляющая термоЭДС).

Следовательно, удельная термоЭДС

 = ₀ + _к + _ф. (1.70)

В металлах электронный газ - вырожден. Концентрация электронов велика и не зависит от температуры, а их распределение по скоростям теплового хаотического движения и энергиям мало зависит от температуры.

Поэтому значения удельной термоЭДС металлов составляет несколько единиц мкВ/град. В полупроводниках электронный газ - невырожден.

Значения термоЭДС для полупроводников составляет 10² - 10³ мкВ/град из-за относительно малой концентрации носителей тока (по сравнению с металлами), которая зависит от температуры. Эффект Зеебека наблюдается и в сверхпроводниках. Под действием градиента температуры в сверхпроводниках появляется объемный ток нормальных возбуждений по природе такой же, как и в обычных проводниках.

Этот ток (объемный ток куперовских пар электронов) компенсирует ток нормальных возбуждений, т. к. полный объемный ток равен нулю, а электрическое поле в сверхпроводнике отсутствует. Определить термоЭДС, связанную с нормальными возбуждениями в сверхпроводнике, можно, измеряя сверхпроводящую компоненту тока. Явление Зеебека используют для измерения температур (термогенераторы, термопары и т. д.).