Внешняя контактная разность потенциалов

На диаграммах рис.3 показано возникновение внешней КРП при соприкосновении двух разнородных металлов. На диаграмме рис. 3 a показано, что два различных металла 1 и 2, разобщенные друг от друга, характеризуются своими потенциальными ямами, причем, с точки зрения классической теории металлов, глубина потенциальной ямы равна термоэлектронной работе выхода электрона из металла e j.

Рис. 3

При соприкосновении кусков металла в контактном слое вследствие диффузии электронов установится скачок потенциала Ui, равный внутренней КРП, и между днищами обеих потенциальных ям будет энергетическое расстояние eUi (рис. 3 б). Но так как глубины потенциальных ям различны, то их внешние края окажутся на разных высотах. Это значит, что между двумя любыми точками А и Б, находящимися вне металлов, но расположенных в непосредственной близости от их поверхностей, возникает разность потенциалов. Она получила название внешней КРП между двумя металлами (первый закон Вольта) и равна

(4)

Здесь А 1 и А 2 − работы выхода электронов, соответственно, из металлов 1 и 2; Т − абсолютная температура спая.

Явление Зеебека открыто в 1821 г. и заключается в том, что в термопарах, спаи которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Схематически термопара показана на рис. 4. Легко видеть, что термоЭДС термопары, показанной на схеме, равна

.

Учитывая уравнение (4), имеем

(5)

Коэффициент

(6)

называют удельной (дифференциальной) термоЭДС.

Как видим, a зависит от концентрации электронов в металлах, составляющих термопару. В отдельных случаях a слабо зависит от температуры и тогда он остается одинаковым для данной термопары в широком интервале температур. Однако в некоторых случаях концентрация электронов заметно меняется при изменении температуры, и тогда a является константой для узких интервалов температур.

Явление Зеебека и термопары широко используются в устройствах для измерения температур в различных технологических процессах. Термопары из полупроводниковых материалов, имеющие более высокий КПД, начинают применяться как источники электроэнергии.

Явление Пельтье открыто в 1834 г. и заключается в том, что если пропускать ток через термопару, то в одном спае будет выделяться тепло, а в другом − поглощаться. Опытным путем установлено, что количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла пропорционально заряду q, прошедшему через спай: , где I - ток в термопаре, t - время процесса выделения тепла. Коэффициент пропорциональности П12 называется коэффициентом Пельтье. Индекс 12 показывает направление тока (от металла 1 к металлу 2).

Если поменять направление тока, то изменится знак коэффициента П 12 = - П 21 и знак теплоты. Если в спае 1 выделялось тепло, то при изменении направления тока в нем будет поглощаться тепло. В классической теории электропроводности теория явления Пельтье качественно объясняется следующим образом. Потенциальная энергия электрона в металле с избытком положительного заряда отличается от его энергии в металле с избытком отрицательного заряда. При переходе через границу (контакт) электроны избыточную энергию передают кристаллической решетки при столкновениях с ней и спай нагревается. При переходе в металл, в котором электрон имеет меньшую энергию, чем все остальные, он дополняет этот дефицит за счет энергии решетки, и спай охлаждается.выдвинул идею использования явления Пельтье для создания холодильных установок. В настоящее время эта идея реализуется. Преимуществом таких холодильных установок является отсутствие в них движущихся элементов. Для усиления эффекта устанав­ливают термобатареи, пред­ставляющие собой ряд после­довательно соединенных тер­мопар, у которых пространст­венно разделены «холодные» и «горячие» спаи (рис. 5). В таком случае тепло Пельтье будет пропорционально числу спаев.

, (7)

где N - число «холодных» или «горячих» спаев. При пропускании тока через систему термопар наряду с теплом Пельтье выделяется и Джоулево тепло. Основное их отличие заключается в том, что тепло Пельтье пропорционально первой степени тока, см. (7) и (8), и его знак зависит от направления тока. Джоулево тепло пропорционально квадрату силы тока (Q Дж = I 2 Rt) и оно всегда выделяется.