Термоэлектродвижущая сила

В 1797 г. итальянский физик А. Вольта обнаружил, что при соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов. Согласно квантовой теории основной причиной появления разности потенциалов на контакте является различная энергия Ферми у сопрягаемых металлов [10, 14].

Кинетическая энергия электронов, находящихся на уровне Ферми, в различных металлах различна. Поэтому при контактировании материалов возникает более интенсивный переход электронов из области с большим значением энергии Ферми E_F в область, где эта энергия меньше, т. е. из металла «В» в металл «А» (рис. 2.5). В результате такого процесса металл «В» заряжается положительно, а металл «А» – отрицательно; между ними возникает разность потенциалов, препятствующая дальнейшему переходу носителей заряда. Равновесие наступит тогда, когда работа электрона по преодолению сил возникшего поля станет равной разности энергий электронов, переходящих через контакт. Таким образом, внутренняя контактная разность потенциалов определяется как разность энергий Ферми, отсчитываемых от дна зоны проводимости, для изолированных металлов «А» и «В»:

, (2.35)

где E_F^A и E_F^B – значения энергии Ферми металла «А» и «В» соответственно.

Рис. 2.5. Схема устройства термопары

Так как скорости хаотического движения электронов весьма велики, равновесие устанавливается очень быстро — за время порядка 10^-18 с. В условиях установившегося равновесия уровень Ферми в обоих металлах должен быть одинаков: энергетические уровни в металле, зарядившемся отрицательно, поднимутся, а в металле, зарядившемся положительно, опустятся.

Термоэлемент, составленный из двух различных проводников, образующих замкнутую цепь, называют термопарой (рис. 2.5). При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим. Если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах разомкнутой цепи появится разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой. По имени первооткрывателя это явление получило название эффекта Зеебека. Как показывает опыт, в относительно небольшом температурном интервале термо-ЭДС пропорциональна разности температур контактов (спаев):

, (2.36)

где α_Т – удельная термо-ЭДС, которая зависит от природы соприкасающихся проводников и температуры.

Вклад в термо-ЭДС дают следующие процессы:

- различная зависимость Е_F(T) в контактах металлов;

- диффузия носителей заряда от горячих спаев к холодным, происходящая благодаря повышенной энергии горячих электронов;

- увлечение электронов к холодному концу фононами. В материалах существует поток фононов к более холодному концу, рассеиваясь на котором электроны приобретают выделенное направление движения.

Все вклады определяются относительно небольшой частью электронов, расположенных вблизи уровня Ферми, поэтому удельная термо-ЭДС металлов не велика. Квантовая теория дает следующее выражение для удельной термо-ЭДС одновалентных металлов:

, (2.37)

Существенно большее значение удельной термо-ЭДС можно получить при использовании металлических сплавов, которые имеют сложную зонную структуру.

Металлические термопары широко используются для точного измерения температуры. В процессе измерений необходимо стабилизировать температуру одного из спаев.

Необходимо отметить, что и в однородном проводнике, т. е. изготовленном из одного металла, при наличии градиента температуры на концах его также возникает разность потенциалов в силу рассмотренных выше причин. Ее значение, отнесенное к единичной разности температур на концах проводника, называют абсолютной удельной термо-ЭДС. В термопарном контуре относительная удельная термо-ЭДС представляет собой разность абсолютных удельных термо-ЭДС составляющих проводников:

, (2.38)

где и – абсолютные удельные термо-ЭДС контактирующих металлов «А» и «В». можно принять за эталон и сравнивать с эталоном (в качестве эталона часто используют свинец).

Если горячий конец проводника заряжен положительно, то знак термо-ЭДС считается отрицательным.

Дата добавления: 2014-01-05