В металі вільні електрони переміщуються по кристалу, а найшвидші з них можуть відділятись від зовнішнього шару позитивних іонів гратки і вийти з кристала.
В тих місцях, які залишили електрони, виникає надлишковий позитивний заряд, який примушує ті електрони, у яких швидкість не дуже велика, повернутися назад. Окремі електрони будуть увесь час залишати метал, віддалятись від нього на декілька атомних відстаней і повертатися назад.
Внаслідок цього біля поверхні металу буде весь час існувати подвійний електричний шар, який складається з електронної хмари за межами металу та позитивно заряджених іонів гратки. Цей шар немов би виконує роль конденсатора, електричне поле якого перешкоджає вивільненню нових електронів з середини металу назовні.
Для того, щоб електрон міг залишити метал, він повинен мати енергію, достатню для виконання роботи з подолання потенціального бар’єру з боку подвійного електричного шару.
Найменша енергія, яку потрібно надати електрону для вивільнення його з речовини, називається роботою виходу електрона. Робота виходу А чисельно дорівнює мінімальній зміні енергії системи електрон-метал при видаленні з неї електрона:
, (1)
де е =1,6·10-19 Кл – елементарний заряд, - потенціал виходу.
Робота виходу та потенціал виходу для різних металів є різними, а для одного і того ж металу суттєво залежать від чистоти та стану його поверхні.
При дотику двох металів, що мають різні роботи виходу, електрони переходять із металу з меншою роботою виходу, у метал із більшою роботою виходу, тобто з більш високих енергетичних рівнів в першому металі на більш низькі рівні в другому.
Цей перехід триває доти, доки рівні Фермі в обох металах зрівняються і встановиться деяка динамічна рівновага.
Внаслідок цього потенціал виходу в першому металі зменшиться, а в другому збільшиться, і між поверхнями металів виникає стрибок потенціалу. Він називається зовнішньою контактною різницею потенціалів і обчислюється за формулою:
, (2)
Зовнішня контактна різниця потенціалів визначається потенціалами виходу або роботами виходу металів контакту.
Контактна різниця потенціалів виникає не тільки між двома металами, але й між двома напівпровідниками, що контактують.
Контакт, тобто щільне дотикання двох тіл, можна створити, якщо відшліфувати їхні поверхні, забезпечивши відсутність зовнішніх включень.
Італійський науковець Вольт в 1801-1802 роках встановив два закони:
1) при дотику двох металів між ними виникає контактна різниця потенціалів, величина якої залежить від роду металів та їхньої температури;
2) різниця потенціалів між кінцями послідовно сполучених контактів різнорідних металів при однаковій температурі не залежить від роду проміжних контактів і визначається тільки крайніми елементами цього з'єднання.
З цих законів випливає, що в замкнутому полі з двох різнорідних металів (термопара) при однаковій температурі контактів струм буде відсутній, оскільки не буде різниці потенціалів. Якщо ж температури контактів Т1 і Т2, будуть різними, то виникне різниця потенціалів ε1, величина якої визначається за формулою:
(3)
і яка називається термоелектрорушійною силою або термо-е.р.с.
В колі термопари при цьому буде існувати електричний струм. Величина
(4)
називається коефіцієнтом термо-е.р.с. і залежить від концентрації електронів n1 і n2 в металах, що дотикаються. Для різних пар металів коефіцієнт термоерс має різні значення. З врахуванням виразу (4) формулу (3) можна записати так:
, (5)
де ∆Т=Т2-Т1 — різниця температур спаїв.
Отже, величина термо-е.р.с. ε прямопропорційно залежить від різниці температур спаїв ΔТ, а також від природи металів контакту.
На величину термоерс впливають також дифузійні переходи електронів з одного металу до іншого внаслідок градієнту температур вздовж провідника при нагріванні одного з контактів.
З формули (5) випливає, що
, (6)
тобто коефіцієнт термоерс чисельно дорівнює термоелектрорушійній силі, що виникає при різниці температур спаїв в 1К.
Вимірюється коефіцієнт термоерс в В/К; мВ/К і мкВ/К.
3. Контрольні запитання.
1. Що називається роботою виходу електрона?
2. Від чого залежить робота виходу?
3. Як обчислюється зовнішня контактна різниця потенціалів?
4. Чим визначається внутрішня контактна різниця потенціалів?
5. В чому полягає явище виникнення термо-е.р.с.?
6. Від чого залежить величина термо-е.р.с.?
7. Що показує і від чого залежить коефіцієнт термо-е.р.с.?
8. Як вимірюється величина термо-е.р.с. в даній лабораторній роботі?
9. Чому при даному методі вимірювання проводити вимірювання потрібно швидко, а нагрівати повільно?
10. Як в даній лабораторній роботі визначається коефіцієнт термо-е.р.с.?
11. Яка конструкція термопари?
Домашнє завдання.
Для виконання роботи необхідно засвоїти такі питання: контактна різниця потенціалів; потенціал виходу і робота виходу; закон Вольта; термоелектрика; термопари.