Термоэлектрические явления. Закон Вольта

При электрическом контакте двух металлов с различными работами выхода A₁ и A₂ (при обмене электронами) между их свободными концами возникает разность потенциалов и, следовательно, образуется электрическое силовое поле. Причиной возникновения контактной разности потенциалов является, во-первых, различие в величине работы выхода электрона из металла (работа выхода электрона с уровня Ферми) и, во-вторых, различие в концентрации свободных электронов. В состоянии равновесия уровни Ферми из-за обмена электронами совпадают.

Вольта А. установил, что при наличии контакта металлов Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd в указанной последовательности каждый предыдущий при соприкосновении с одним из последующих металлов зарядится положительно. Этот ряд металлов называют рядом Вольта. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых долей до целых вольт.

Существуют два закона Вольта А., установленных экспериментально:

· Контактная разность потенциалов зависит от химического состава и температуры контактирующих металлов.

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

Возникновение контактной разности потенциалов можно объяснить с точки зрения зонной теории.

При электрическом контакте двух разнородных металлов с различными работами выхода (A₁<A₂), т.е. различными положениями уровней Ферми, электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2. Это приведет к тому, что металл 1 зарядится положительно, а металл 2 – отрицательно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней. В металле, заряженном положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряженном отрицательно, – вверх. Эти процессы будут происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, которое характерно при совпадении уровней Ферми обоих металлов. Так как уровни Ферми одинаковы, а работы выхода A₁ и A₂ не изменяются (они являются константами металлов и не зависят от того, находятся металлы в контакте или нет), то потенциальные энергии электронов в точках, лежащих вне металла в непосредственной близости к их поверхности, будут различными. Следовательно, между этими точками возникнет контактная разность потенциалов, которая обусловлена различием работ выхода взаимодействующих металлов:

. (8.38)

Возникающая в этом случае контактная разность потенциалов называется внешней контактной разностью потенциалов.

Если уровни Ферми для взаимодействующих металлов не одинаковы, то между точками вне металлов возникает внутренняя контактная разность потенциалов:

. (8.39)

Причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является различие в концентрации электронов контактирующих металлов. Она зависит от температуры контакта металлов, т.к. уровни Ферми зависят от температуры. Надо отметить, что внутренняя контактная разность потенциалов гораздо меньше внешней контактной разности потенциалов. Внутренняя контактная разность потенциалов возникает в двойном электрическом слое, образующимся в приконтактной области, называемом контактным слоем. Толщина контактного слоя соизмерима с межузельными расстояниями решетки и составляет»10^{-10 м. Число электронов, проходящих (диффундирующих) через контактный слой, составляет порядка 2% от общего числа электронов, находящихся на поверхности металлов. Все это не может привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с основными металлами. Таким образом, контактный слой проводит электрический ток одинаково в обоих направлениях и не даёт эффекта выпрямления, который всегда связан с односторонней проводимостью.}

При наличии электрических контактов между тремя и более разнородными металлами, имеющими одинаковую температуру, разность потенциалов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциала во всех контактах и не зависит от промежуточных проводников, что утверждает второй закон
А. Вольта.

Возникновением контактной разности потенциалов при электрическом контакте двух разнородных металлов можно объяснить некоторые термоэлектрические явления.