Контактная разность потенциалов. Термоэлектричество
|
| Е1,Е2,…Еi – энергетические уровни, на которых располагаются по два электрона с противоположными спинами.
μ – верхний энергетический уровень (уровень Ферми или химический потенциал, его величина не зависит от температуры металла).
А0 – нижний энергетический уровень (дно потенциальной ямы).
0 – начало отсчета (энергия электрона вне проводника).
|
Электрон находящийся внутри металла и притягивающийся к положительным ионам кристаллической решетки, обладает отрицательной потенциальной энергией (энергия притяжения отрицательна). Вне проводника Wпот равна нулю.
При соприкосновении двух проводников, электроны вследствие теплового движения переходят из одного проводника в другой. Если соприкасающиеся проводники различны и если их температура в разных точках неодинакова, то один из них заряжается положительно, другой отрицательно, т.е. возникает контактная разность потенциалов U. Величина U – не зависит ни от формы, ни от размера проводников; а зависит: какие металлы и каковы температуры в их месте соприкосновения. Внутренняя контактная разность потенциалов – разность между днами потенциальной ямы. Выражение для внутренней контактной разности потенциалов Ui: 
,где k – постоянная Больцмана; 
– логарифм отношения концентраций электронов в металлах.Следствие: 1) чем больше различие 
и 
, тем больше Ui;2) при комнатной температуре Ui ≈ 10-2 ÷ 10-3В.
| ––––– эквипотенциальные поверхности
|
Внешняя контактная разность потенциалов: Uвн – образуется на внешних сторонах проводников.Между соприкасающимися металлами во внешнем пространстве появится электрическое поле, а на поверхности электрические заряды.
Полная контактная разность потенциалов, обусловленная обеими причинами:1) разная Авых электронов из металлов (Uвн);разная концентрация свободных электронов (Ui)равна: 
Т.к. Ui ≤ Uвн, то приближенно можно считать:U= Uвн.
Законы Вольта
1. При соединении двух проводников из разных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от их химического состава и температуры.
2. Разность потенциалов между концами цепи, состоящей из последовательно соединённых металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников; она равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.
|
| U = U12 + U23 + U34 = φ1 – φ2 + φ2 – φ3 + φ3 – φ4 = φ1 – φ4 = φ14
|
Если цепочку 1-4 замкнуть, то U = 0, причем в замкнутой цепи из разных металлов нулю равна не только Uвн, но и сумма (∑Ui):
Если температуры спаев различны в замкнутой цепи, то контактные разности потенциалов
|
| U1 ≠ U2. Причем U1 и U2 направлены навстречу друг другу, т.е. общая разность потенциалов, эквивалентная ЭДС цепи равна:
Ет = U1 – U2,
где Ет – термоЭДС
|
– удельная термоЭДС
Между тепловыми и электрическими процессами в металлах (а также в проводниках) существует определенная взаимосвязь, которая обуславливает ряд явлений:
а) Явление Зеебека (1821 г.)В замкнутой электрической цепи из разных металлов, возникает термоЭДС, если места контактов поддерживаются при разных температурах: Е = Е0(Т1 – Т2). При малых температурах это уравнение хорошо согласуется с экспериментом. При больших ∆Т – Е изменяется сложным образом, вплоть до того, что меняет знак – инверсия термоЭДС.
|
| Пары, имеющие инверсии:
Fe – Mo; Fe – W; Fe – Ag; Fe – Cu (Тин ≈ 3000С)
|
б) Явление Пельтье.
Обратно явлению Зеебека. Связано с выделением или поглощением (в зависимости от направления тока) теплоты, избыточной над джоулевой и называется теплотой Пельте (QП).
Тепло выделяется (поглощается) в спае при прохождении в последнем тока. Явление обусловлено тем, что в разных проводниках значения 
– средней энергии зарядов, участвующих в образовании тока, не равны друг другу.
|
| Если  , то при переходе через спай А переносится больше энергии, чем требуется для термодинамического равновесия в (2) между носителями тока и узлами решетки. Поэтому, сталкиваясь с узлами и передавая им избыток энергии, вызывают нагревание проводника, причем в тонком слое (нагрев спая). Аналогично охлаждается спай В.
|
где П – коэффициент Пельте, зависит от рода проводников П ≈ 10-2 ÷ 10-3 В, П12 = –П21.
Применение: а) в холодильниках;
б) в термостатах;
в) в установках – микроклимат
в) Явление Томсона.
Явлением Томсона называется выделение (или поглощение) тепла, избыточного над джоулевым, при прохождении постоянного тока по неравномерно нагретому проводнику.
,
где kт – коэффициент Томсона, зависит от материала проводника.
Явление связано с тем, что в более нагретой части проводника носителей тока больше, чем в менее нагретой. Если носители перемещаются из более нагретой области, то они отдают избыток энергии кристаллической решетке проводника, т.е. теплота Томсона QT – выделяется, т.е. dQT> 0.
Дата добавления: 2017-06-13; просмотров: 2268;
