Тема: КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ. ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА.

Введение

При контакте двух разнородных металлов между ними появляется так называемая «контактная разность потенциалов». Она возникает вследствие перехода свободных электронов из одного металла в другой, благодаря чему первый заряжается положительно, а второй отрицательно.

Это явление обусловлено двумя причинами:

· различием в работах выхода электронов из контактирующих металлов;

· разной концентрацией в металлах свободных электронов.

Работой выхода электронов из металла называется минимальная работа, которую необходимо совершить, чтобы электрон, преодолев силы электростатического притяжения, вышел из металла наружу. При контакте двух металлов электроны переходят из металла с меньше работой выхода в металл с большей работой выхода. Они образуют избыточный заряд, который создает электрическое поле и препятствует дальнейшему переходу электронов. Переход прекращается, когда наступает равновесное состояние, характеризующееся одинаковым значением максимальной энергии электронов внутри металлов (энергии Ферми). Разность потенциалов, возникающая при этом, определяется выражением:

,

где – заряд электрона.

При контакте двух металлов с различными концентрациями свободных электронов возникает, вследствие диффузии, направленный поток электронов из металла с большей концентрацией электронов в металл с их меньшей концентрацией. Процесс диффузии прекращается, когда металлы заряжаются до такой степени, что встречное электрическое поле полностью прекращает направленное движение электронов. Возникшая благодаря диффузии разность потенциалов определяется равенством

,

откуда:

,

где – постоянная Больцмана, – температура контакта по абсолютной шкале температур, и – концентрации свободных электронов в контактирующих металлах.

Проявляясь одновременно, обе причины приводят к возникновению суммарной контактной разности потенциалов:

(1)

Рис. 1

При образовании замкнутой цепи из различных металлов (независимо от их числа) сумма контактных разностей потенциалов оказывается равной нулю и ток в цепи не возникает.

Это легко видеть из (1), так как, например, в цепи двух металлов при последовательном прохождении контактов электроны переходят из металла 1 в металл 2, а затем из 2 в 1, что приводит к появлению в (1) слагаемых равной величины, но с разными знаками. При трех и более металлах последовательно складываются слагаемые вида (1–2)+(2–3)+(3–1), что в сумме дает ноль.

Однако, если в замкнутой цепи температуры контактов различны, в формуле (1) "срабатывает" второе слагаемое (зависящее от температуры), поэтому в цепи возникает ток, что свидетельствует о появлении электродвижущей силы, так называемой термоЭДС. Это явление было обнаружено Зеебеком в 1821 году. Изменение знака разности температур изменяет направление тока и термоЭДС.

Для случая двух металлов (рис. 1), возникающая термоЭДС пропорциональна разности температур спаев:

(2)

где постоянная называется коэффициентом термоЭДС. Для металлов имеет значение порядка .

(3)

Выражение (2) получено на основании классических представлений об электропроводности металлов. Расчет, проведенный на основании квантовой теории электропроводности, дает нелинейную зависимость термоЭДС от температуры. Однако, в интервале температур, доступном в настоящей работе, зависимость (2) выполняется с большой степенью точности.

Явление Зеебека нашло применение как способ измерения температуры. Устройство для измерения температуры, работающее на этом принципе, называется термопарой (рис. 2).

Две проволоки из разнородных металлов А и В сварены в точках 1 и 2, образуя два контакта (спая). В цепь включен милливольтметр для измерения возникающей термоЭДС. Один из спаев выбирается в качестве спая сравнения и поддерживается при постоянной температуре (холодный спай 1 на рис. 2). Другой спай (измерительный) приводится в соприкосновение с телом, температуру которого нужно измерить (горячий спай на рис. 2).

Рис. 2

При соответствующем выборе пары проводников и измерительного прибора термопарой можно производить измерения в широком интервале температур с высокой точностью (до ).

К достоинствам термопар относятся их малая теплоемкость и малое время установления температурного равновесия, а также надежность и простота изготовления.

Перед использованием любой термопары её необходимо проградуировать.

Лабораторная работа 14

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: