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.
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 (WF1 ¹ WF2) 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 WF1 < WF2 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: WF1 = WF2. На границе раздела возникает скачок потенциала, т. е. появляется электрическое поле контакта, препятствующее диффузии.
Разность потенциалов (ji2 - ji1) 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; qe - 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* (jе2 - jе1), называемую внешней контактной разностью потенциалов.
jе2 - jе1 = (А2 - А1)/qe, (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 Та и Тb - температуры спаев а и b, то
т = , (4)
где a12 = a2 - a1.
При Тb > Та, т > 0, то a12 > 0 (ток течет по часовой стрелке).
При Тb > Та, 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 (aк - контактная составляющая термоЭДС);
3. Увлечением электронов фононами, преимущественно перемещая их в том же направлении (aф - фононная составляющая термоЭДС).
Следовательно, удельная термоЭДС
a = a0 + aк + aф. (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.)
Qп = П12It, (6)
где П12 - коэффициент Пельтье.
С другой стороны,
П12 = П1 - П2 = - a12Т, (7)
В отличие от джоулевой теплоты (QД ~ I2) и всегда выделяемой в проводнике при прохождении тока теплота Пельтье Qп ~ 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.
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:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|