Контактная разность потенциалов. Термоэдс

Если привести в плотное соприкосновение (спаять) два конца проволочек из различных металлов, то в области их соединения возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов (рис.3). Величина контактной разности потенциалов не зависит ни от формы, ни от размера проводников и определяется лишь тем, какие металлы вступили в контакт и какова температура в месте их соприкосновения.

Возникновение контактной разности потенциалов происходит вследствие двух причин: 1) разная работа выхода электронов у различных металлов; 2) различная концентрация свободных электронов в металлах.

Рис.3

Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно. Поэтому между металлами при контакте возникает разность потенциалов, равная

, (4)

где и А ₂ – работа выхода соответственно первого и второго металлов, e – заряд электрона.

При контакте двух металлов тот из них, в котором концентрация свободных электронов больше, будет их терять и приобретет положительный заряд. Другой металл, вследствие диффузии имеющий меньшую концентрацию электронов, зарядится отрицательно. Разность потенциалов, образующаяся вследствие диффузии свободных электронов, равна

, (5)

где n ₁ и n ₂ – концентрации свободных электронов соответственно в первом и втором металлах, k – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура.

Суммарная разность потенциалов, обусловленная обеими причинами, будет равна

. (6)

Составим цепь из двух разнородных металлов А и В (рис.4). Эта цепь будет иметь два спая, у каждого из которых появится контактная разность потенциалов, равная соответственно:

(7)

и

. (8)

Поэтому можно считать, что каждый спай обладает определенной электродвижущей силой (ЭДС). Так как в одном из спаев электроны будут двигаться по часовой стрелке, а в другом – против, то ЭДС спаев направлены противоположно, а суммарная ЭДС всей цепи e равна разности ЭДС отдельных спаев:

. (9)

Если температуры спаев различны (T ₁ ≠ T ₂), то возникающая в цепи ЭДС называется термоэлектродвижущей силой (термоэдс). При равенстве температур спаев (T ₁ = T ₂) U ₁ = U ₂, следовательно, термоэдс равна нулю, и ток в цепи отсутствует.

Рис.4

Величина

(10)

называется удельной термоэдс, показывает, насколько меняется термоэдс при изменении разности температур на один градус, и измеряется в вольтах на кельвин .

Таким образом, термоэлектродвижущая сила прямо пропорциональна разности температур спаев

. (11)

Единицей измерения термоэдс в системе СИ является В (вольт).

Если для данной пары металлов известны величина и температура одного спая Т ₁, то измерив термоэдс , можно вычислить неизвестную температуру Т ₂ второго спая.