I. Краткие теоретические сведения. Если два различных материала привести в тесный контакт (спаять), то на их концах появится некоторая разность потенциалов

Если два различных материала привести в тесный контакт (спаять), то на их концах появится некоторая разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов.

Под тесным контактом подразумевается контакт поверхностей металлов на расстояние порядка размера ячейки кристаллической решетки.

Изучая контактные явления в металлах, итальянский физик Вольта установил два закона.

Первый закон Вольта: контактная разность потенциалов двух металлов зависит только от их химического состава и температуры.

Второй закон Вольта: разность потенциалов между концами разомкнутой цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных металлических проводников, имеющих одинаковую температуру, не зависит от промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном контакте концевых проводников.

Образование контактной разности потенциалов обусловлено переходом электронов из одного металла в другой, а этот переход происходит по двум причинам.

1. Все металлы характеризуются определенной работой выхода, т. е. работой, которой нужно совершать электрону, чтобы выйти из металла в окружающую его пустоту. Следовательно, если привести в тесный контакт два разных металла, то у одного из них работа выхода электронов будет больше, чем у другого. Пусть А₂>А₁ (рис. 1). Очевидно, что свободный электрон первого металла, попавший в процесс хаотического движения на границу раздела металлов, будет испытывать силу притяжения со стороны второго металла и пройдет в него. Таким образом, через границу раздела будет происходить «перекачка» свободных электронов из первого металла во второй. Первый металл зарядится положительно (нехватка электронов), второй отрицательно (избыток электронов).

Возникающая при этом разность потенциалов создает электрическое поле, которое затрудняет дальнейшую перекачку электронов и прекратит ее, когда работа перемещения электронов за счет контактной разности потенциалов станет равна разности работ выхода электронов из металла, т. е.

2. С точки зрения электронной теории металлов хаотическое движение электронов в металле можно рассматривать подобно движению молекул в газе. Поэтому совокупность свободных электронов в металле называется «электронным газом» и каждый металл характеризуется числом свободных электронов в единице объема при t = 0^о С, т. е. определенной концентрацией свободных электронов.

В случае контакте двух разных металлов на границе раздела будет происходить диффузия электронов, т. е. переход электронов их металла с большей концентрацией в металл с меньшей концентрацией. Этот переход электронов создает дополнительную контактную разность потенциалов, которая равна:

Таким образом, суммарная разность потенциалов будет равна:

(1)

Формула (1) является математическим выражением законов Вольта.

Рис.2

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных металлов. В местах контакта а и б (рис. 2), образуется разность потенциалов U_a и U_б, причем U_a= - U_б и суммарная разность потенциалов будет равна нулю.

Действительно согласно формуле (3)

(2)

(3)

Если в последнем равенстве поменять местами А₁ и А₂, а также ņ₀₁ и ņ₀₂,то получим:

(4)

Cравнивая /4/ и /6/ видим, что:

U_a=-U_δ

Но так обстоит дело, если температура контактов одинакова. Рассмотрим случай, когда температура контактов различна. Пусть Т_a›Т_δ, тогда, складывая (2) и (3), получим:

(5)

т. е суммарная разность потенциалов не равна нулю. Эта разность потенциалов называется электродвижущей силой термопары (т. е. спаянных двух разнородных металлов) и обозначается .

Обозначим a.

Эта формула (7) примет вид: = d (T_а- Т_б) = aΔТ (8)

Из последней формулы видно, что термоэлектродвижущая сила термопары прямо пропорциональна разности температур ее спаев. График зависимости от ΔТ называется градуировочной кривой термопары.