Контактные явления. Законы Вольта
Вольт расположил вещества в таком порядке, что любой предыдущий с последующим имел отрицательную разность потенциалов. Данная разность потенциалов – контактная. А этот ряд называется Ряд Вольта.
Пример: Al, Zn, Sn…
1-ый закон Вольта: контактная разность потенциалов зависит от химического состава контактирующих веществ и их температур. Концентрация электронов в разных металлах разная. Работа выхода – энергия, необходимая, чтобы электрон покинул металл. У разных металлов она разная.
;
- разность потенциалов, которую необходимо преодолеть электрону.
-
кинетическая энергия электрона в металле
(энергия Ферми). Каждого металла своя
работа выхода (порядок – несколько
).
,
-концентрация
электронов в металле.
Контактная разность потенциалов возникает из-за влияния этих двух величин, но влияние рассмотрим по отдельности.
1
).
Пусть
,
.
Рассмотрим границу раздела:
;
;
2
).
;
;
Рассмотрим электронный газ справа и слева от контактной зоны.
,
так как концентрации различные, то
следовательно и давления различны.
;
;
;
;
;
;
;
2-ой закон Вольта: для нескольких контактных веществ контактная разность определяется первым и последним потенциалом.
Пример:
.
Откуда вытекает, что при образовании кольца – тока внутри возникнуть не может (да и не должен:).
Термоэлектрические явления
Т
ермоэлектричество
было открыто Зеебеком еще в двадцатых
годах прошлого века. Для его наблюдения
достаточно собрать следующую установку:
пусть два разнородных металла сомкнуты
в кольцо (как на рисунке) и имеют контакты
и
.
-температуры
контактов. Если
,
то разность потенциалов между контактами
не равна нулю.
В цепи возникает термоЭДС.
;
В приконтактном слое возникает термоЭДС. Сторонние силы появляются в данном случае в результате давления электронного газа, которое различно в разных проводниках. Если температура контактов одинакова, то скачки потенциалов на них равны по величине, но противоположны по знаку. Это справедливо для любого количества проводников, замкнутых в кольцо, если температуры их контактов одинаковы. Однако, если это не так, то полная ЭДС цепи не равна нулю, и в ней появляется ток. ЭДС обусловлена не только возникновением диффузии в объеме, но и контактными скачками потенциала. Так как они зависят от температуры, то сумма их уже не будет равна нулю.
Это устройство называется термопара (используется для измерения температуры либо разности температур).
-
табличная величина для любой термопары.
Пример:
-
висмут – сурьма. Однако термоЭДС
увеличивается не пропорционально
разности температур, поэтому применение
формулы:
ограничено небольшими разностями
температур. Имеет место быть и обратное
явление.
Обратное термоэлектрическое явление
П
усть
в начальный момент времени
.
Затем начинаем пропускать ток по кольцу,
в результате один из контактов нагревается,
другой охлаждается, если изменить
направление тока – меняются нагреваемые
и охлаждаемые зоны. Итак, опыт показывает,
что кроме тепла Джоуля-Ленца, выделяемого
током в объеме проводника, наблюдаются
тепловые явления в контакте двух разных
проводников, даже если эти проводники
первоначально находятся при одинаковой
температуре. В контакте, через который
проходит ток, происходит, в зависимости
от направления тока, выделение или
поглощение тепла, и контакт либо
нагревается, либо охлаждается. Это
явление получило название эффекта
Пельтье.
Температура металла определяется энергией колебательного движения ионов металла.
Если электрон отдаст энергию, то контакт нагревается, если отбирает, – то контакт охлаждается.
Проходя через контакт - электрон ускоряется контактным полем. Контактное поле отдает энергию электрону. Электрон при столкновении с ионом отдает ему энергию и снова упорядоченно движется. Место контакта нагревается. Эта добавка к теплу Джоуля – Ленца. Проходя контакт - электрон тормозится полем. При столкновении с ионом электрон отбирает у иона недостающую ему часть энергии, для того чтобы быть в стационарном состоянии. Место контакта охлаждается.