4.5 Контактная разность потенциалов, термо - эдс, эффекты.
Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной.
Это обнаружил Вольт (итальянец). Например, если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Pt, Pd привести в контакт в указанный последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из последующих заряжается положительно. Это ряд Вольта. Uконт ≈ от десятых долей до целых вольт.
Два закона:
1) Uконт зависит от химического состава и температуры соприкасающихся металлов
2) Uконт последовательно соединенных различных проводников, находящихся под одинаковой Т°, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна Uконт, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.
Механизм возникновения
Соединяют два металла с разной работой выхода А1 и А2, причем А2>А1 (т.е. с различными положениями уровня Ферми, верхнего заполненного электронами энергетического уровня)
Рисунок 3.7 – Образование контактной разности потенциалов
При контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, поэтому металл 1 заряжается положительно, а металл 2 – отрицательно. Одновременно происходит смещение энергетических уровней: в металле 1 все уровни смещены вниз, а в металле 2 – вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, т.е. произойдет совпадение уровней Ферми (рисунок 3.7 в), но работы выхода не изменятся, а вот потенциальная энергия изменится в точках ВГ (рисунок 3.7 г), т.е. возникает разность потенциалов равная ∆φ’=(А2-А1)/е , которую называют внешней.
Если уровни Ферми
неодинаковые, то между внутренними
точками металла возникает внутренняя
разность потенциалов ∆φ’’=(ЕF1-EF2)/e,
это объясняется различной концентрацией
электронов в металлах. ∆φ’’ зависит
от Т° контактов металлов. Как правило
∆φ’>>∆φ’’. ∆φ’’ – образуется в
контактном слое, толщиной ≈
м.
Эффект Зеебека (1821, немец). Согласно второму закону Вольта, в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, с разной Т° в месте контакта, то в цепи возникает электрический ток, называемый термоэлектрическим. Это явление наблюдал Зеебек.
Он создал электрические цепи из металлов Сu-Bi (медь-висмут), Ag-Cu, Au-Cu, при этом контакты имели разную температуру, контакт А имел Т1, контакт В имел Т2, где Т1>T2. Между контактами возникла термоэлектродвижущая сила и стал протекать ток от точки А.
Рисунок 3.8 - Возникновение термо-эдс
Для пары металлов медь-константан, при Т=100К эдс≈4,25 мВ.
Для поддержания постоянного тока необходимо постоянство температур контактов: к более нагретому непрерывно подводить тепло, а от холодного-отводить. Это явление используется в измерении температур (термопарах).
Чувствительность их повышается если термопары соединяются последовательно.
Тепловые преобразователи делятся:
- термоэлектрические (термопары);
- терморезисторы (термометры сопротивления);
- термомеханические;
- монометрические.
Термопара – это разновидность термоэлектрических преобразователей генераторного типа.
Принцип действия основан на возникновении термоэдс на концах двух разнородных материалов, находящихся в разных температурных режимах.
Конструктивно состоит из двух разнородных, специально подобранных проводников, одни концы которых сварены между собой, а другие подсоединены к прибору.
Рабочий (горячий) слой помещают в защитный кожух и устанвливают в месте контроля температуры.
Если Т° свободных холодных слоев термопары отличается от Т° горячего слоя, то вследствии термоэлектрического эффекта на электродах возникает термо-эдс, пропорциальная разности температур.
Термопара ТПП – обладает высокой точностью и стабильностью. Изготавливается из проволоки диаметром 0,3 – 0,5 мм (чистая платина и сплав платины 90% и родия 10%). Работает если T0накала = 100°С, а свободного 0°С, тогда термо-эдс ≈ 0,64 ± 0,03 В.
Для измерения низких температур в диапазоне от 200 до 350°С делают хромедь-алюминевую пару (ТХА), эдс≈40 мкВ/°С
Эффект Пельтье (1834, француз). Он обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота, т.е. это эффект обратный эффекту Зеебека.
В отличие от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени тока и меняет знак при изменении направления тока.
Рисунок 3.9 – Электрическая цепь из двух разнородных материалов
Если создать
электрическую цепь из двух разнородных
материалов, через которое пропустить
ток I
(его направление выбрано согласно
термотока на рисунке 3.9) при условии
Т1>T2, то слой А, который имел большую
температуру при эффекте Зеебека, будет
охлаждаться, а слой В – нагреваться.
При изменении направления I’
слой А будет нагреваться, а слой В –
охлаждаться.
Так как электроны по разную сторону слоя обладают разной средней энергией (полной кинетической плюс потенциальной). Если электроны пройдут через слой В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетке и слой будет нагреваться. В слое А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь недостающую энергию у кристаллической решетки, и слой будет охлаждаться. Это явление используется в термоэлектрических холодильниках (созданы в 1954 Иоффе), в электронных приборах.
Эффект Томсона (1856, Кельвин). Исследуя термоэлектрические эффекты, пришел к заключению, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты аналогичной теплоте Пельтье.
Т.е. он подтвердил теорию Томсона и дал практическое объяснение – так как в более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания Т°, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона.