Термоэлектрические явления

Контактная разность потенциалов. Механизм ее возникновения. Законы Вольта.

Количество электронов в единице объема и разных металлов различна. Также различаются силы притяжения свободные электронов к положительным ионам, что и удерживает электроны внутри металла. Если два разных Me привести в тесное соприкосновение путем сварки или спайки, то между ними будут происходить взаимные переходы электронов, однако электроны из одного Me перейдут в другой в большем количестве, чем в обратном.

Пример: из Zn в Cu переходит больше электронов, чем из Cu в Zn. В связи с этим в контактном слое со стороны Zn возникает недостаток электрона и Zn заряжается положительно.

У Cu избыток электронов заряжается отрицательно. В контактном слое образуется электрическое поле и возникает контактная разность потенциалов (КРП).

Это поле способствует дальнейшему переходу электронов из Cu в Zn и препятствует дальнейшему переходу из Zn в Cu. В результате возникает динамическое равновесие, т. е. количество электронов переходящих через контактный слой = количеству электронов возвращающихся под действием электрического поля.

КРП возникает в месте контакта разнородных материалов, чистых металлов или сплавов.

Причины возникновения КРП

1) Разное количество свободных  электронов у разных Me. КРП обусловлена разной концентрацией электронов, зависит от t.

2) В разных Me электроны обладают разной энергией.

3) Разная работа выхода у разных Me.

Работа выхода – это min работа, которую должен совершить электрон, чтобы выйти из Me и не вернуться. Она зависит от рода Me и частоты его поверхности. КРП обусловленное различием работы выхода не зависит от t.

Механизм возникновения КРП

При соприкосновении двух разнородных Me, электроны из Me, где их концентрация больше, энергия выше, а работа выхода меньше, идут в другой Me. При этом первый Me заряжается (+), а второй (-).

Далее КРП тормозит переход и устанавливается динамическое равновесие. В основу трех законов Вольта легли факты, установленные опытным путем.

Все металлы и их сплавы можно расположить в ряд, где каждый предыдущий Me заряжен (+) по отношению к последующему – термоэлектрический ряд. В середине ряда находится платина, она является стандартом. Металлы, левее платины заряжены (+), а правее Pt (-). КРП не зависит от массы и площади соприкосновения Me, а зависит от вида и t.

1) При соприкосновении двух разнородных металлов между ними возникает КРП, не зависящая от массы металла и площади контакта, но зависящая от природы металла и от температуры.

2) В последующем ряду контактирующих металлов при одинаковой t КРП между крайними металлами не зависит от того контактируют ли они непосредственно или через ряд промежуточных металлов.

3) В замкнутой цепи, состоящей из разнородных металлов или сплавов, при одинаковой t мест контактов алгебраическая сумма КРП = 0.

КРП при одинаковой t не может создавать тока, т. к. здесь происходит лишь уравновешивание потоков электронов в противоположных направлениях.

II  ПРЯМОЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

При одинаковой t мест контактов тока в цепи нет. Замкнутая цепь из разнородных металлов называется термоэлектрической цепью. В ней происходят взаимные превращения тепловой и электрической энергии.

Прямой термоэлектрический эффект заключается в следующем. При неодинаковой t мест контактов алгебраическая сумма КРП ¹ 0, что приводит к возникновению ЭДС и тока.

Термо ЭДС – это ЭДС в замкнутой цепи, состоящий из разнородных металлов при разной температуре мест контактов. Экспериментально установлено, что чем больше разность t между спаями А и В ¹ тем больше ЭДС.

a – это коэффициент пропорциональности, характеризующий термоэлектрические особенности контактирующих металлов.

a численно равен ЕДС, если t _АB = 1.

Под действием термо ЭДС возникает термоток.

Величина тока служит мерой разности температуры слоев.

Термоэлектрический термометр

Термопара – это спаянные проволоки из разнородных металлов или сплавов, предназначенные для измерения температуры на основе прямого термоэлектрического эффекта. Их можно изготовить, самостоятельно, но у промышленно изготовленных известно ЭДС при разных температурах.

Образцовая термопара изготавливается из платины и платинородиевого сплава. Она позволяет измерить температуру до 1600 °С.

Термоэлектрический термометр

Это две одинаковые термопары, соединенные последовательно с гальвонометром. С помощью такого термометра можно определить температуру на основании определения ЭДС: чем больше разность температур, тем больше ЭДС и тем больший ток идет по цепи. Термопара В, находящаяся при постоянной t называется холодной или свободной. Термопара (А) предназначенная для измерения температур – это горячая или рабочая.

  E = a_Dt_AB

t_B = 0 °C

E = a(t_A – t_B) = at_A.

Для каждой термопары a определяется по таблице или экспериментально. На практике вместо a используют n, который учитывает a и чувствительность гальванометра.

Прямой термоэлектрический эффект применяется для измерения t тела человека, t различных сред, t в сушильных шкафах и термостатах.

Значительная термо ЭДС (по величине) достигается не только выбором металлов или увеличением разности температур, но и последовательным соединением нескольких термопар в батарею (называется термостолбик). При таком соединении n-ого числа термопар, ЭДС возрастает в n раз.

IV    ОБРАТНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Он заключается в том, что при пропускании по термоэлектрической цепи тока от внешнего источника, один контакт будет охлаждаться, а другой – нагреваться по сравнению с t окружающей среды.

Контакт А охлаждается, контакт В – нагревается.

По закону сохранения энергии, энергия поглощенной = энергии выделенной.

Опытным путем установлено, что независимо от того, поглощается или выделяется энергия, количество теплоты прямопропорционально силе тока от внешнего источника и времени его пропускания.

Qп – количество теплоты (явление Пельтье).

Qп ~ It.

Qп = П It.

П – коэффициент Пельтье, отражающий термоэлектрическую природу контактирующих металлов.

 Объяснение обратного термоэлектрического эффекта (или явления Пельтье)

В спае А направленное движение термоэлектронов совпадает с направленным движением электронов от внешнего источника. Электроны ускоряются, на это затрачивается энергия и спай охлаждается.

В спае В движение термоэлектронов не совпадает с направлением движения ē от внешнего источника. Здесь происходит торможение ē и выделении энергии, т. е. спай В нагревается. Это явление применяется при охлаждении инструментов, при изготовлении переносных холодильников.

Эффект Пельтье тоже хорошо выражен в полупроводниках.