Краткая теория. Если два металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов

Если два металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов.

Рассмотрим контакт двух металлов I и II, различных по химическому составу. Так как работа выхода электронов из металлов различна, то при контакте металлов между ними будет происходить обмен электронами. Число электронов, переходящих из одного металла в другой и обратно, зависит от работы выхода электронов из этих металлов . Предположим, что и, тогда, большее число электронов будет переходить из металла I в металл II с большей работой выхода. При этом I металл заряжается положительно, а II – отрицательно. В приконтактной области возникает двойной электрический слой, препятствующий дальнейшей диффузии электронов. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не установится равновесие, которое характеризуется совпадением уровней Ферми в обоих металлах и между ними возникает внешняя контактная разность потенциалов, определяемая выражением:

, 1.8

где - работа выхода электронов из металлов, е – заряд электрона.

Величина внешней контактной разности потенциалов может достигать нескольких Вольт и зависит от строения металлов и состояния их поверхностей. Поэтому величину можно изменять в широких пределах обработкой поверхностей металлов и введением примеси.

Возникновение внутренней контактной разности потенциалов объясняется различием в концентрации свободных электронов в металлах I и II. Допустим, что концентрации свободных электронов в металлах I и II удовлетворяют условию . Тогда диффузионные потоки свободных электронов из одного металла в другой и обратно будут различны. При выполнении условия поток электронов из металла I в металл II будет больше чем в обратном направлении. В результате этого металл I будет заряжаться положительно, а металл II – отрицательно и между металлами устанавливается разность потенциалов . Появление электрического поля в приконтактной области вызывает дополнительное (переносное) движение электронов в обратном направлении, из металла II в металл I. В результате этого общее количество электронов проводимости, переходящих из металла I в металл II будет уменьшаться, а идущих в обратном направлении увеличиваться. При некоторой разности потенциалов между металлами установится равновесие, и потенциалы металлов больше меняться не будут. Эта разность потенциалов получила название внутренней контактной разности потенциалов.

Классическая электронная теория для внутренней контактной разности потенциалов дает выражение

, 2.8

где - постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

Таким образом, при контакте двух разнородных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов

, 3.8

зависящая от рода металлов и температуры.

Согласно закону Ома плотность тока внутри металла равна . Так как в равновесии , то и напряженность электрического поля Е в любой точке сечения металлов I и II равна нулю. Это означает, что поле Е существует только в тонком пограничном слое между обоими металлами, на котором и сосредоточена вся контактная разность потенциалов . Толщина этого слоя значительно меньше длины свободного пробега электронов и поэтому данный слой не оказывает существенного влияния на сопротивление металлов.

Если из разнородных металлов составить замкнутую цепь и контакты металлов поддерживать при одинаковой температуре, то как следует из уравнения 3.8 разность потенциалов в цепи будет равна нулю. Поэтому контактная разность потенциалов не создает тока в замкнутой цепи, если температура контактов одинакова.

Иначе обстоит дело в том случае, если контакты металлов имеют различную температуру. В 1821 году немецкий физик Зеебек установил, что, если контакты металлов имею различную температуру, то в цепи возникает термоЭДС и, ток в цепи будет протекать до тех пор, пока температура контактов будет различной. Используя выражение 3.8 можно легко показать, что термоЭДС (ТЭДС) определяется выражением:

, 4.8

где - называется удельной термоЭДС и зависит от рода металлов и интервала температур. В интервале температур для большинства термопар и имеет порядок величины .

Явление Зеебека широко применяется для измерения температуры.