Введение. Количество свободных электронов в единице объёма или концентрация их у различных металлов различается

Количество свободных электронов в единице объёма или концентрация их у различных металлов различается. Различаются также и силы притяжения к положительным ионам, которые удерживают свободные электроны внутри металла. Следовательно, отличаются средние значения полных энергий электронов в разных металлах. Поэтому, если два различных металла привести в тесное соприкосновение, например, путем сварки или спайки, то между ними будет происходить взаимный переход (диффузия) электронов. В зависимости от соотношения концентраций и сил, удерживающих электроны внутри металла, электроны из одного металла А (рис.1, а), например, цинка, будут переходить во второй металл Б, например, медь, в большем количестве, чем обратно. В связи с этим в контактном слое со стороны цинка образуется недостаток электронов, и он заряжается положительно, а со стороны меди образуется их избыток, и она заряжается отрицательно.

Вольта установил, что если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд металлов называется рядом Вольта.

 

а) б) в)

 

Рис. 1

 

В контакте между металлами образуется электрическое поле и возникает контактная разность потенциалов. Это поле противодействует дальнейшему переходу электронов. В результате наступает динамическое равновесие: количество электронов, переходящих через контактный слой вследствие диффузии, равняется количеству электронов, возвращающихся под действием электрического поля. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых до целых вольт.

Если замкнуть противоположные концы проводников А и Б (рис. 1, б), то между ними возникает такая же по величине, но противоположно направленная разность потенциалов, и тока в цепи не будет. То же получится, если составить цепь металлов А и Б через промежуточный проводник.

Иной результат получится, если места соединения металлов А и Б имеют различную температуру Т. Поскольку диффузия электронов происходит в процессе теплового движения, то в спае с более высокой температурой она будет происходить более интенсивно и контактная разность потенциалов в нем увеличится (рис. 1, в). Теперь в общей цепи металлов появится результирующая разность потенциалов, равная разности контактных разностей потенциалов в нагретом и холодном спаях. Эта разность потенциалов называется термоэлектродвижущей силой Е_t. По величине она с достаточной степенью точности прямо пропорциональна разности абсолютных температур нагретого Т и холодного Т ₀ спаев:

E_t = α (T – T ₀ ). (1)

 

Коэффициент пропорциональности α называется дифференциальной термоэдс, так как по определению . Он зависит от природы металлов и слабо зависит от температуры. В том случае, когда интервал температур является небольшим, α можно считать величиной постоянной.

Под действием термоэлектродвижущей силы в замкнутой цепи возникает термоток, который может быть измерен чувствительным измерительным прибором. Сила тока прямо пропорциональна термоэдс и может служить мерой разности температур спаев.

Рассмотренное явление было открыто в 1821 г. немецким физиком Т.И. Зеебеком и носит его имя.

Два спаянных между собой проводника из различных металлов называются термопарой. Основным применением термопары является измерение температуры. Для этого спай термопары приводится в соприкосновение со средой, температура которой измеряется. Свободные концы термопары подключаются к достаточно чувствительному измерительному прибору, например, гальванометру. Отклонение стрелки прибора при этом прямо пропорционально разности температур нагретого и холодного концов термопары.

 

Рис. 2

 

Это является известным недостатком термопары, так как не дает возможности измерять непосредственно температуру среды. При измерении высоких температур этим можно пренебречь. При измерении относительно невысоких температур пренебречь температурой холодного спая уже нельзя. Для удобства измерений холодный спай помещают в термос с тающим льдом (0^оС). Измерительный прибор включают, как показано на схеме (рис. 2). В этом случае шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в градусах температуры нагретого спая. Термопара имеет преимущества перед ртутным термометром в чувствительности и быстроте измерения, однако по простоте измерения она уступает термистору.

а) б)

Рис. 3

 

Для повышения чувствительности применяют термобатарею или термостолбик, состоящий из того или иного числа включенных последовательно термопар. Схема термостолбика из четырех термопар показана на рис. 3, а. На рис. 3, б показан термостолбик для измерения мощности теплового излучения. Термопары расположены так, что нагреваемые спаи С_н находятся посередине плоской круглой рамки, а холодные С_х – на ее периферии, где они закрыты шторками Ш и не подвергаются нагреванию. Термостолбики, содержащие до 100 термопар, соединенные с зеркальным гальванометром, обладают настолько высокой чувствительностью, что позволяют обнаружить, например, тепловое излучение поверхности тела человека.

Термоэлектрические явления обратимы. Если пропустить ток от постороннего источника через контакты металлов как показано на рис. 4, то в спае 2 выделится некоторое добавочное к обычному (обусловленному сопротивлением проводника) количество теплоты, вследствие чего температура его Т ₂ будет несколько выше, чем температура Т ₀ других участков проводников. При этом в спае 1 проис-ходит поглощение теплоты, и его температура Т ₁ становится ниже Т ₀.

Указанное явление, открытое Ж. Пельтье в 1834 г., связано с тем, что электрическое поле, образующее в спае контактную разность потенциалов, в первом случае ускоряет электроны, совершая тем самым положительную работу. Во втором – тормозит движение проходящих через спай электронов. (На рис. 4 направления движения электронов в области контактов показаны стрелками).

Рис. 4

 

Повышение скорости электронов равносильно увеличению тока и вызывает дополнительное нагревание проводника. Снижение скорости электронов равносильно уменьшению тока и ведет к снижению температуры спая.

Опыт показывает, что количество теплоты Q, которое выделяется (поглощается) в спае за некоторое время t, пропорционально t и силе тока I в цепи:

Q =Π It. (2)

Коэффициент пропорциональности Π носит название коэффициента Пельтье.

В лабораторной работе исследуется зависимость термоэдс от разности температур спаев и определяется постоянная термопары α. В качестве иллюстрации практических возможностей применения термоэлектрического эффекта в работе предлагается исследовать с помощью термостолбика зависимость мощности излучения лампы накаливания от расстояния до нее.