Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 126
Текст из файла (страница 126)
ЗЗО, а), то уровень Ферми располагается в металле ! выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла ! будут переходить на более низких урании металла 2, что приведет к тому, что металл ! зарядится положительно, а металл 2 — отрицатель. ио. Одновременно происходит относительное смешение энергетических уровней: в металле, заряжающемся положительно, все уровни смешаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицательно,— вверх. Этот процесс будет происходить до тех пар, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, которое, как доказывается в статистической физике, характеризуется совпадением уровней Ферми а обоих металлах (рис.
330, б). Так как дли соприкасак»цихся метал. лов уровни Ферми совпадают, а работы выхода А> и Ах не изменяются (они явля- ются константами металлов и ие зависят от того, находятся ме"аллы в контакте или нет), та ~>отан>>налипая энергия электронов в точках, лежащих вие металлов в непосредственной близости к их поверхности (тачки А и В иа рис. 330, б), будет различной. Следовательно, между точками А н В устанавливахтся разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна Лхр'=(А, — А>)7е. (246.
!) Разность потенциалов (246. ! ), обусловленная различием рабат выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов. Чаще говпрят просто а кгитактиой разности пагенцналав, подрав)моная под ней внешнк>ю. Если уровни Фе>ми для двух контактир) к>ших металлов нс одинаковы, та между внутренинми тачками металлов наблюдается внутренняя кснтактная разность потенциалов, катара». как следует из ригупка, равна Лф" =(!'г — Вг )уе. (246.2) В квантавор те>рии доказывается, что причиной возннкнгвения внутренней ка»- тактной разности потенциалов ивляется различие концентраций электронов н контактирующих мстьл.>ах.
ЛЧ>" зависит ат температуры 7' ко>п акта металлов (поскольку наблюдается зависимость Ег от Т), обусловливая термоэлектрические явления. Как правил>>, Лгр" <<Лгр'. Если„ например, привести в соприкосновение три разнородных проводника, имеющих одинаковую температуру, то разность потенциатов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциала во всех контактах. Она, как можно показать (предоставляем эта сделать читателю), не зависит ах природы ~раьхежуточных проводников (второй закон Вальта). Внугренняя контактнан разность потенциалов возникает в двойном электрическом слое, образук»цемся в приконтакхной области, назыиасмоч контактным слоем. Толщина контактного слоя в металлах составляет пример>ц )О '" м, т. е. соизме- 398 б. Элементы квантовой Физики атомов, молекул н тэс1тттыт тел рима с междоузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих в диффузии через контакт.
ный слой, составляет примерно 2 % от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Столь незначительное изменение концентрации электронов в контактном слое, с одной стороны, и малая по сравнению с длиной свободного пробега электрона его толщина — с другой, не могут привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с остальной частью металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и через сами металлы, т.
е контактный слой проводит электрический ток в обоих направлениях (1- 2 и 2- !) одинаково н не дает эффекта выпрямленна, который всегда связан с односторонней проводимостью. й 247. Термоэлектрические явлении и их применение Согласно второму закону Вольта, в замкнутой цепи, состоящей нз нескольких металлов, находящихся при одинаковой температуре, э. д, с. не возникает, т.е. не происходит возбуждения электрического тока. Однако если температура контактов не одинакова, то в цепи возникает элек«рический ток, называемый термоэлектрическим.
Явление возбуждения термоэлек. трического тока (явление Зеебека), а также тесно связанные с ним явления Пельтье и Томсона называются термоэлектрическими явлениями. 1. Явление Зеебека (1821). Немецкий физик Т. Зеебек (1770 в 1831) обнаружил, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру, возникает электрический ток. рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлических проводников ! и 2 с температурами спаса Т~ (контакт А) и Т.
(контакт В), причем Т~ ) Тт (рис. 331). Не вдаваясь в подробности, отметим, что в замкнутой цепи для многих пар рис. зз! металлов (например, Сц — В1, Ая — Сц, Ац — Сц) электродвижущая сила прямо пропорциональна разности температур в контактах: э' =а (Т, — Тт!. Зта э.д. с. называется термоэлектродвижущей силой. Направление тока при Т, ) Тт на рис.
331 показано стрелкой. Термоэлектродвижущая сила, например для пары металлов медь — константан, для разности температур 100 К составляет всего 4,25 мВ. Причина возникновения термоэлектродвижущей э. д. с. ясна уже из формулы (24б.2), определяющей внутреннюю контактную разность потенциалов на границе двух металлов Цело а том, что положение уровня Ферми зависит от температуры. Поэтому если температуры контантов разные, то разными будут и внутренние контактные разности потенциалов.
Таким образом, сумма скачков потенциала отлична от нуля, что и приводит к возникновению термоэлектрического тока. Отметим также, что при градиенте температуры происходит и диффузия электронов, которая тоже обусловливает герма-э. д. с. Явление Зеебека не противоречит второму началу термодинамики, так как в данном случае внутренняя энергии преобразуется в электрическую, для чего ис.
пользуется два источника теплоты (два контакта). Следовательно, для поддержания постоянного тока в рассматриваемой цепи необходимо поддерживать постоянство разности температур контактов: к более нагретому контакту непрерывно подводить теплоту, а от холодного — непрерывно ее отводить. Явление Зесбека испсльзтется для измерения температуры Цля этого примеиятттск термоэлементы, или термопары — датчики температур, состоящие из двух соединенных между Г л а в з 31.
Элементы физики твердого тела собой разнородных мета.тлическнх проводников Если контакты (обычно спаи) проводников (проволок), образующих термопару, находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижушаи сила, которая зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Чувствительность термопар выше, если нх соединять последова. тельно. Эти соединения называются термобатареями (илн термостолбикамн).
Термопары применяются как лля измерения ничтожно малых разностей температур, так и для измерения очень высоких и очень низких температур (на. пример, внутри доменных печей или жидких газов) Точность определения температуры с помошью термопар составляет, как правило, несколько кельвин, а у некоторых термопар доствгает шО,О! К. Термопары обладают рядом преимушеств перед обычными термометрами: имеют большую чувствительность и малую инерционность, позволяют проводить измерения в широком интервале температур и допускают дистанционные измерения Явление Зеебека в принципе может быль использовано дли генерации элекгрического тока Так, уже сейчас к.
и. д. полупроводниковых гермобатарей достигает !8 ош Следователь. но, совершенствуя полупрозодиикоиые термазлектрогенераторы, можно добиться зффектив. ного прямого преобразования солнечной энергии в электрическую 2. Явление Пельтье (1834). Французский физик Ж. Пельтье (1785 — 1845) обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулеиой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким образом, явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека. В отличие от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы така н меняет знак при изменении направления тока.
Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных металлических проводников ! и 2 (рис. 332), по которым пропускается ток !' (его направление в данном случае выбрано совпадающим с направлением термотока (иа рис.331 при условии Т~ Тз)). Согласно наблюдениям Пельтье, спай А, который при явлении Зеебека поддерживался бы р ь Рис. Зэз при более высокой температуре, будет теперь охлаждаться, а спай  — нагреваться. При изменении направления тока !' спай А будет нагреваться, спай  — охлаждаться.
Объяснить явление Пельтье можно следующим образом. Электроны по разную сторону сная обладают различной средней энергией (полной — кинетической плюс потенциальной). Если электроны (направление нх движения задано на рнс. 332 пунктирнычи стрелками) пройдут через спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии анн отдадут кристаллической решетке и спай будет нагреваться. В спае А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь недостающую энергию у кристаллической решетки, и спай будет охла;кдаться.
Явление Пельтье используется в термоэлектрических г олупроводниковых холодильниках, созданных впервые в 1954 г. под руководством Уь Ф. Иоффе, и в некоторых электронных приборах. 3. Явление Томсона (1856). Вильям Томсон (Кельвин), исследуя термоэлектрические явления, пришел к заключению, подтвердив его экспериментально, что при прохождении тока по нераеномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглошение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье. Это явление получило название явления Томсона. Его можно обьяснить следующим образом.
Так как в более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если 6. Элементы к~~антовои физики атомов. молекул и твердых тел 400 Металл Поауаравааем а-уаах Металл Палуправсяьах о о и-тиаа о 1 ,. дв 4'г Е м 4„4 а) Рис 3,'И же электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они, наоборот, пополняют свою энергию за счет энергии решетки, и результате чего происходит поглощение теплоты Томсона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
