Контактная разность потенциалов

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает контактная разность потенциалов.

Приведем в соприкосновение два различных металла 1 и2 с работами выхода А₁ и А₂, причем А₂>А₁. Электроны легче переходят из металла, для которого работа выхода меньше, в металл, для которого работа выхода больше. В данном случае из металла 1(он заряжается положительно) в металл 2 (он заряжается отрицательно) до тех пор, пока работа по перемещению электрона за счет контактной разности потенциалов не станет равной разности работ выхода: , или . Это выражение получено при условии, что концентрация свободных электронов в металлах одинакова. Предположим, что . Начнется преимущественный перенос электронов из первого металла во второй, в результате первый металл зарядится положительно, а второй отрицательно. Между металлами возникнет разность потенциалов, которая согласно теоретическим расчетам, равна .

Контактная разность потенциалов, обусловленная обеими причинами, равна

.

Из рассмотренных металлов составим замкнутую цепь, и определим сумму всех скачков потенциалов, встречающихся при обходе замкнутой цепи:

.

Таким образом, при образовании замкнутой цепи из нескольких металлических проводников с одинаковой температурой спаев невозможно возникновение электродвижущей силы за счет только контактных скачков потенциала.

Термоэлектрические явления и их применение

1. Явление Зеебека.

Немецкий физик Т. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру, возникает электрический ток.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлических проводников 1 и 2 с температурами спаев Т₁ (контакт А) и Т₂ (контакт В), причем Т₁>Т₂. Электродвижущая сила, возникающая в цепи, равна сумме скачков потенциалов в обоих контактах:

, откуда

.

Таким образом, в замкнутой цепи появляется ЭДС прямопропорциональная разности температур в контактах. Эта ЭДС называется термоэлектродвижущей силой.

Явление Зеебека используется для измерения температур. Чувствительность термопар выше, если их соединять последовательно. Эти соединения называются термобатареями. Термопары обладают рядом преимуществ перед обычными термометрами: имеют большую чувствительность и малую инерционность, позволяют производить измерения в широком интервале температур и допускаю дистанционные измерения. Явление Зеебека может быть использовано для генерации электрического тока. КПД полупроводниковых батарей достигает ~18%.

2. Явление Пельтье.

Французский физик Ж. Пельтье (1785-1845) обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от направления тока помимо джоулевой теплоты выделяется или поглащается дополнительная теплота. Таким образом, явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека. В отличии от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.

Объяснить явление Пельтье можно следующим образом. В спаях А и В создаются контактные электрические поля с напряженностью . Направление движения электронов при заданном направлении тока совпадает с направлением поля в спае А и против поля в спае В. В спае В контактное поле ускоряет электроны, увеличивая их кинетическую энергию. Эти электроны сталкиваясь с ионами кристаллической решетки спая В передают приобретенную кинетическую энергию, в результате чего внутренняя энергия спая В повышается и спай нагревается. Аналогично в спае А электроны контактным полем тормозятся, уменьшая их кинетическую энергию. При столкновении электронов с ионами спая А они получают энергию от ионов, в результате чего внутренняя энергия спая А понижается и спай охлаждается.

Эффект Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках.