Контактная разность потенциалов двух разнородных проводников зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов

Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Объяснение законов Вольта можно дать на основе классической электронной теории металлов.

Если привести в соприкосновение два различных металла (рис.1) 1 и 2 с работами выхода А₁ и А₂, причем А₂ > А₁, электроны, оказавшиеся у поверхности раздела металлов, совершая тепловое движение, легче переходят из металла, для которого работа выхода меньше, в металл, для которого работа выхода больше, т.к. работа выхода – это энергия необходимая электрону для того чтобы покинуть металл.

В рассматриваемом случае (рис 1) электроны будут переходить из металла 1 (и он заряжается положительно) в металл 2 (заряжается отрицательно) до тех пор, пока работа по перемещению электронов за счет контактной разности потенциалов не станет равной разности работ выхода:

или

(1)

Различие в работах выхода - не единственная причина появления контактной разности потенциалов. Выражение (1) получено при условии, что концентрация свободных электронов в металлах одинакова, что на практике невозможно. Предположим, что и соответственно концентрации электронов в металлах 1 и 2, причем > . При этих условиях начнется диффузионный перенос электронов из первого металла во второй, в результате чего первый металл зарядится положительно, а второй - отрицательно.

Между металлами возникнет разность потенциалов , которая согласно теоретическим расчетам равна:

(2)

где k -постоянная Больцмана, e - заряд электрона.

Как правило, .

Обе причины возникновения контактной разности потенциалов (различие в работах выхода и концентраций свободных электронов) могут действовать как в одном и том же направлении, так и в противоположных. В рассмотренных выше случаях имеет тот же знак, что и .Контактная разность потенциалов, обусловленная обеими причинами, согласно (1) и (2) равна:

(3)

Уравнение (3) есть математическое выражение первого закона Вольта; оно показывает, что зависит только от температуры и химического состава соприкасающихся проводников (Т, А _1, А ₂, n _1, n ₂).

Если температуры контактов (рис 2) различных металлов (М₁ и М₂) различные (t₁ и t₂), то в «горячем» спае контактная разность потенциалов будет больше, чем в «холодном». Это и приведет к появлению термоэлектрического эффекта. Следовательно, можно сделать вывод, что термо -Э.Д.С. термопары - это алгебраическая разница контактных разностей потенциалов «горячего» и «холодного» спаев термопары.

При небольших разностях температур термо-Э.Д.С. термопары линейно увеличивается с ростом температуры:

ℰ (4)

где называется удельной термо-Э.Д.С (постоянной термопары, коэффициентом Зеебека, термоэлектрической способностью пары, термосилой, коэффициентом термо-Э.Д.С) и зависит в общем случае от интервала температур и материала проводников. Физический смысл удельной термо-Э.Д.С заключается в том, что она представляет собой ЭДС термопары, возникающую при разности температур спаев в 1К.

Для металлических проводников удельная термо-Э.Д.С. лежит в пределах 5-60 мкВ/К.