Электрические явления в контактах

Контактная разность потенциалов

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникнет контактная разность потенциалов (Вольта, 1797 г.).

Вольта расположил металлы в ряд: Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd так, что при соприкосновении их попарно каждый предыдущий металл получает более высокий потенциал, чем последующий.

Рис. 1

Если привести в контакт более двух металлов (рис. 1, а) то разность потенциалов между первым и последним металлами не зависит от того, какими промежуточными металлами они разделены (закон последовательных контактов Вольта).

Если же контактирующие металлы при постоянной температуре замкнуть кольцо, то ЭДС в замкнутой цепи отсутствует (рис. 1,b). Для объяснения возникновения контактной разности потенциаловможно привлечь модель свободных электронов.

Приведем два металла 1 и 2 в контакт (рис. 2, где черным кружком обозначены электроны). Так как уровни Ферми (W_F1 ¹ W_F2) металлов различны, то не равны и концентрации электронов в них (n₀₁ ¹ n₀₂). При Т= 0 К

все энергетические уровни вплоть до уровня Ферми будут заполнены электронами.

В случае W_F1 < W_F2 после приведения металлов в контакт начнется диффузия электронов из металла 2 в 1, так как работа выхода во втором металле меньше, чем в первом.

В результате металл 2 заряжается положительно, а металл 1 - отрицательно.

Если же контактирующие металлы при постоянной температуре замкнуть в кольцо, то ЭДС в замкнутой цепи отсутствует (рис. 1, b).

Потенциал металла 1 повышается, а металла 2 - понижается. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми металлов не станут равными, и наступит состояние динамического равновесия: W_F1 = W_F2. На границе раздела возникает скачок потенциала, т. е. появляется электрическое поле контакта, препятствующее диффузии.

Разность потенциалов (j_i2 - j_i1) называют внутренней контактной разностью потенциалов.

Внутреннюю контактную разность потенциалов можно найти по формуле

, (1)

где h = 6,63×10^-34 Дж ×с; m - масса покоя электрона; q_e - заряд электрона.

Полученный результат остается справедливым при любых температурах.

Если же между металлами имеется зазор АВ (рис.3), то между ними возникнет разность потенциалов во внешних точках 1^* и 2^* (j_е2 - j_е1), называемую внешней контактной разностью потенциалов.

j_е2 - j_е1 = (А₂ - А₁)/q_e, (2)

где А₁ и А₂ - работы выхода электронов из металлов 1 и 2 соответственно.

Термоэлектричество.

А). Явление Зеебека

Согласно закону последовательных контактов в замкнутой цепи их нескольких металлов (полупроводников) ток в цепи отсутствует, если все тела находятся при одинаковой температуре. Однако, если в местах контакта температуры разные, то появляется термоэлектрический ток (Зеебек, 1821 г.). Возникновение термоЭДС ( т) в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединенных разных металлов, если места спая (контакта) находятся при различных температурах, называют явлением Зеебека

т = , (3)

где a - удельная термоЭДС.

Простейшая электрическая цепь (рис. 4) представляет собой термоэлемент (термопару). Если Т_а и Т_b - температуры спаев а и b, то

т = , (4)

где a₁₂ = a₂ - a₁.

При Т_b > Т_а, т > 0, то a₁₂ > 0 (ток течет по часовой стрелке).

При Т_b > Т_а, т < 0, то a₁₂ < 0 (ток течет против часовой стрелки).

Возбуждение термоэлектрического тока можно наблюдать на опыте, схема которого приведена на рис. 5, где к пластинке из сурьмы Sb припаяна медная Cu пластинка. Между ними помещается магнитная стрелка NS. Если один из спаев нагреть, то появится ток, и магнитная стрелка отклонится. По направлению отклонения магнитной стрелки можно судить о направлении тока в цепи. Оказывается, что через нагретый спай ток течет от меди к сурьме. Если охладить тот же спай, то направление тока меняется на противоположное. Явление Зеебека обусловлено следующими причинами:

1. Преимущественной диффузией носитлей тока в металлах (полупроводниках) от нагретого конца к холодному (a₀ - объемная составляющая термоЭДС);

2. Зависимостью контактной разности потенциалов от температуры, связанной с зависимостью химического потенциала (уровня Ферми) от температуры (a_к - контактная составляющая термоЭДС);

3. Увлечением электронов фононами, преимущественно перемещая их в том же направлении (a_ф - фононная составляющая термоЭДС).

Следовательно, удельная термоЭДС

a = a₀ + a_к + a_ф. (5)

В металлах электронный газ - вырожден. Концентрация электронов велика и не зависит от температуры, а их распределение по скоростям теплового хаотического движения и энергиям мало зависит от температуры.

Поэтому значения удельной термоЭДС металлов составляет несколько единиц мкВ/град. В полупроводниках электронный газ - невырожден.

Значения термоЭДС для полупроводников составляет 10² - 10³ мкВ/град из-за относительно малой концентрации носителей тока (по сравнению с металлами), которая зависит от температуры. Эффект Зеебека наблюдается и в сверхпроводниках. Под действием градиента температуры в сверхпроводниках появляется объемный ток нормальных возбуждений по природе такой же, как и в обычных проводниках. Этот ток (объемный ток куперовских пар электронов) компенсирует ток нормальных возбуждений, т. к. полный объемный ток равен нулю, а электрическое поле в сверхпроводнике отсутствует. Определить термоЭДС, связанную с нормальными возбуждениями в сверхпроводнике, можно, измеряя сверхпроводящую компоненту тока.Явление Зеебека используют для измерения температур (термогенераторы, термопары и т. д.).

Б). Явление Пельтье

Выделяемая или поглощаемая теплота в спае разнородных металлов при прохождении тока, избыточная над джоулевой теплотой, называтся теплотой Пельтье. Согласно Пельтье (1854 г.)

Q_п = П₁₂It, (6)

где П₁₂ - коэффициент Пельтье.

С другой стороны,

П₁₂ = П₁ - П₂ = - a₁₂Т, (7)

В отличие от джоулевой теплоты (Q_Д ~ I²) и всегда выделяемой в проводнике при прохождении тока теплота Пельтье Q_п ~ I, а ее знак зависит от направления тока в спае.

Если ток в спае течет из проводника с большим коэффициентом Пельтье П₁ в проводник с меньшим П₂ (П₁ > П₂) и П₁₂ > 0, то теплота Пельтье выделяется в спае.

В случае противоположного направления тока через спай теплота Пельтье поглощается в спае, что находится в согласии со вторым началом

Рис. 6

термодинамики.

Для поддержания постоянного термотока необходимо к горячему спаю непрерывно подводить теплоту, а от холодного спая - отводить теплоту.

Для количественного исследования явления Пельтье ученый Леру использовал установку, схема которой приведена на рис. 6, где к концам висмутовой проволоки АВ припаяны медные провода и спаи опущены в два калориметра.

Пропуская через спаи один и тот же ток, Леру измерял тепло, выделяемое в каждом калориметре, за одно и то же время.

Явление Пельтье в полупроводниках используют для создания экономичных холодильных установок.

В) Явление Томсона

Выделение или поглощение теплоты, избыточной над джоулевой, при прохождении тока по первоначально нагретому однородному проводнику (полупроводнику) называют теплотой Томсона.

, (1.73)

где t - коэффициент Томсона.

С точки зрения электронной теории явление Томсона объясняется следующим образом.

Рассмотрим полупроводник с электронной проводимостью.

В полупроводнике при Т₁ > T₂, градиент температуры направлен от точки 2 к точке 1 (рис. 7, а).

Из-за диффузии концентрация электронов в точке 1 становится меньше, чем в точке 2.

В результате этого возникает электрическое поле, направленное от 1 к 2.

Если по n - полупроводнику течет ток в направлении gradT (рис. 7, а), то электроны перемещаются в направлении, в котором их движение замедляется электрическим полем, в результате этого участок 1-2 станет охлаждаться.

Рис. 7

Если же ток течет в обратном направлении, то произойдет нагревание участка 1-2.

В дырочном полупро-воднике явления будут протекать в обратном направлении (рис. 7, б).

Направление тока и переноса теплоты противоположны.

Эффект Томсона считается положительным, если электрический ток, текущий в направлении градиента температуры, вызывает нагревание полупроводник, и - отрицательным, если при том же направлении тока происходит охлаждение полупроводника.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: