Контактные явления. Эффект Зеебека. Эффект Пельтье. Эффект Томсона.

Контактные явления. Эффект Зеебека. Эффект Пельтье. Эффект Томсона.

Как показывает опыт, на контакте двух различных металлов образуется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов (рис. 6.8).

      Появление двойного электрического слоя обусловлено различием работ выхода электронов из металлов. Чем она больше, тем меньше вероятность перехода электронами границы раздела. Поэтому со стороны металла с большей работой выхода накапливается отрицательный заряд, а с противоположной – положительный.

Рис. 6.8

      Это явление наблюдалось итальянским физиком Александро Вольта (1745 – 1827), который сформулировал два экспериментальных закона, известных как законы Вольта.

      1. На контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит от химической природы и от температуры спаев.

      2. Разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре.

      Результаты эксперимента можно объяснить с позиции классической электронной теории. Если принять, что потенциал за пределами металла равен нулю, то энергия электрона внутри металла с потенциалом φ_iопределится выражением

(6.2.1)

      При соединении двух разных металлов (рис. 6.9)с работами выхода

 и ,

Рис. 6.9

возникает избыточный переход электронов из второго металла в первый, так как   В результате концентрация электронов n₁ в металле 1 увеличивается, по сравнению с n₂, что порождает обратный избыточный поток электронного газа за счет диффузии, противоположный потоку, обусловленному разностью работ выхода.

      Установившаяся разность потенциалов в равновесном состоянии определяется как:

,

где  – разность потенциалов, обусловленная разными работами выхода электронов из металлов, а  – разность потенциалов, возникающая на границе раздела за счет неодинаковой концентрации электронов в электронном газе.

      Установившуюся разность потенциалов можно найти из выражения:

      Явление возникновения контактной разности потенциалов и ее зависимость от температуры называют термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека. Эффект Зеебека (прямой термоэлектрический эффект) заключается в появлении разности потенциалов в термопарах.

      Схема термопары состоящей из спая двух разных металлов 1 и 2, показана на рисунке 6.10.

Рис. 6.10

      На концах термопары возникает термоЭДС термопары E :

(6.2.2)

где Т_г – температура горячего спая и Т_x – температура холодного спая.

      Таким образом термоЭДС термопары можно найти по формуле:

      где  – постоянная термопары.

      Термопары применяют для измерения температуры. Батареи термопар используют как источники ЭДС для питания физических приборов.

      Эффектом Пельтье называют обратный термоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при пропускании тока через термопару, ее спай поглощает или выделяет тепло в зависимости от направления тока. Количество поглощенного тепла пропорционально плотности тока.

,

(6.2.3)

где П₁₂ – коэффициент Пельтье, зависящий от материала контактирующих металлов. Эффект используют при изготовлении холодильников. Этот термоэлектрический эффект проявляется более эффективно, если используются полупроводники.