Лекция № 14 Элементы физической электроники
Контактная разность потенциалов
Если два разных металла привести в соприкосновение, то между ними возникнет разность потенциалов, которая называется контактной.
Причина ее заключается в том, что при соприкосновении металлов часть электронов из одного металла переходит в другой.
Рассмотрим два различных металла, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.
Г
рафик
распределения потен-циальной энергии
электронов в различных точках пространства
изобразится следующей диаграммой.
Приведем теперь в соприкосновение оба куска металла. Тогда в контактном слое, вследствие диффузии электронов, установится скачок потенциала, равный внутренней контактной разности потенциалов.
Причина внутренней контактной разности потенциалов заключается в следующем: при соприкосновении металлов диффузные потоки электронов перемещаются из металла с большей концентрацией электронов в металл с меньшей концентрацией.
При
этом металл с большей концентрацией
электронов заряжается положительно, а
металл с меньшей концентрацией –
отрицательно. В результате этого между
металлами возникает разность потенциалов
и появляется электрическое поле, которое
вызывает в контакте металлов движение
электронов в обратном направлении. При
некоторой разности потенциалов
установится динамическое равновесие,
и потенциалы обоих металлов не будут
изменяться. Эта разность потенциалов
и является внутренней контактной
разностью потенциалов. В классической
электронной теории величина внутренней
контактной разности потенциалов равна
,
где
и
- концентрация электронов в металлах.
Рассмотрим теперь распределение потенциальной энергии электронов не только в контактном слое, но и во всех остальных частях обоих проводников при их соприкосновении.
В
зоне контакта между днищами обеих
потенциальных ям будет малое энергетическое
расстояние равное
.
Но так как глубины потенциальных ям
различны, то их внешние края окажутся
на разных высотах. Это значит, что между
двумя любыми точками А и В, находящимися
вне металла, но расположенными в
непосредственной близости от его
поверхностей возникает разность
потенциалов.
Она получила название внешней
контактной разности потенциалов обоих
металлов.
Если точки А и В будут на внешних границах обоих металлов, то электрон будет иметь любое значение потенциальной энергии от дна ямы до 0.
Как видно из графика
(разделим на
e)
.
У знак (+) или (-) выбирают в зависимости от знака внутренней контактной разности потенциалов .
Как показывает
опыт
имеет порядок 10-2
÷ 10-3
В. Разность
потенциалов
для различных пар металлов имеет порядок
несколько вольт. Поэтому с достаточной
степенью точности можно считать
.
Для замкнутой цепи, составленной из нескольких разнородных металлов сумма скачков потенциала равна нулю.
Возникновение контактной разности потенциалов между соприкасающимися металлическими проводниками было открыто в конце 18 века итальянским физиком Вольта. Он экспериментально установим два закона:
При соединении двух проводников, изготовленных из различных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит только от их химического состава и температуры.
Разность потенциалов между концами цепи, состоящей из последовательно соединенных металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников. Она равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.
Термоэлектрические явления
Между тепловыми и электрическими процессами в металлах существует взаимосвязь, которая обуславливает ряд явлений, называемых термоэлектрическими: явление Зеебека, Пельтье и явление Томсона.
Явление Зеебека – заключается в том, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь поддерживать при различных температурах, то в цепи потечет ток.
Это явление получило название термоэлектричества, а возникающая ЭДС – термоэлектродвижущей силой.
Е
сли
один из слоев находится при температуре
T,
а другой при более высокой температуре
T1
, то полная
термоЭДС равна
,
где α – коэффициент термоЭДС.
Термоэлектричество широко используется для измерения температур. Устройства, использующие этот принцип, называются термопарами. Один спай термопары поддерживается при постоянной температуре (например 0˚С), другой - помещают в тот объем, температуру которого хотят измерить. О величине температуры судят по силе возникающего термо-тока, измеряемой гальванометром.
С помощью термопар можно измерять с точностью до сотых долей градуса, как низкие, так и высокие температуры.
В качестве источников тока термопары из металлов и их сплавов не используются вследствии низкого КПД (около 0,5%). Термопары из полупроводниковых материалов обладают более высоким КПД (до 7%).они находят применение в качестве небольших генераторов тока для бытовых целей. Энергии такого генератора, надеваемого виде абажура на стекло керосиновой лампы, достаточно для питания радиоприемника.
Явление Пельтье заключается в том, что при пропускании тока через цепь, составленную из разнородных металлов, в зависимости от направления тока, происходит выделение или поглощение тепла.
Количество тепла, выделившегося при этом в контакте, определяется выражением
,
где q – заряд, прошедший через спай;
-
коэффициент
пропорциональности (коэффициент
Пельтье).
Здесь ток течет от металла А к металлу В.
При изменении направления тока, вместо выделения тепла наблюдается его поглощение в тех же количествах. Следовательно,
.
Между коэффициентом Пельтье и коэффициентом термоЭДС имеется связь
.
Явление Пельтье объясняется следующим образом. Полная энергия электронов проводимости в обоих металлах спая различна. Если электроны, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, то они отдают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего спай нагревается. На другом спае этой цепи электроны переходят в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию у кристаллической решетки и охлаждают спай.
Явление Пельтье имеет большое практическое значение. А.Ф. Иоффе выдвинул идею использования явления Пельтье для создания холодильных установок. Заманчиво также применение явления Пельтье для электрического обогрева помещений. При этом спай поглощающий тепло выводится наружу, а спай выделяющий тепло – внутрь обогреваемого помещения. Пропуская через спай ток, можно получить на спае, помещенном внутри помещения, количество тепла в два раза превышающее затраты энергии на создание тока. Такая система обогрева имеет еще и то преимущество, что в случае необходимости (например, в жаркую погоду), ее можно без переделок использовать для понижения температуры помещения – для этого нужно лишь изменить направление тока на обратное.
Явление Томсона заключается в том, что при прохождении тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, происходит, в зависимости от направления тока, поглощение или выделение тепла.
Удельная мощность, выделяющаяся в проводнике при этом равна
,
где
- градиент температуры в данном месте
проводника;
- коэффициент
пропорциональности (коэффициент
Томсона);
- плотность потока.
Явление Томсона объясняется следующим образом: электроны при своем движении переходят из мест с более высокой температурой и, следовательно, большей энергией в места с более низкой температурой и, следовательно, более низкой энергией. Если через проводник пропустить ток в направлении возрастания температуры, то тепловое движение электронов будет направлено противоположно току. Избыток своей энергии электроны отдадут решетке, что приведет к выделению тепла. При изменении направления тока, естественно, произойдет поглощение тепла.