Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 99
Текст из файла (страница 99)
Скачки потенциала в контактах В и С равны по модулю, но противоположны по знаку, н поэтому вольтметр, присоединенный к концам цепи А и Р, не покажет напряжения. Это справедливо для любого числа проводников: Рис. 340. Термоэлектрическая цепь для двух металлов прн Т = О, справедливо и в общем случае любой температуры как для металлов, так и для полупроводников. При равновесии проводников, способных обмениватьсп электронами, и находящихся при оды!аховой температуре, уровни Ферми в э!них проводниках одииахови. При установившемся электронном равновесии края обеих потенциальных ям уже не находятся на одинаконом уровне, а значит, потенциальная энергия электрона — еУ! у поверхности метвлла 1 1точка а) не равна -ес1г у поверхности металла 2 !точка б) (рис. 339 в).
Их разность есть — еУ! — ( — е11г) = (Х! — 4!) — 1Хг — (г) = Ф вЂ” Фг. Так как 1У! — Г~) есть контактная разность потенциалов бсгг, то отсюда получается формула 1198. 1) . 1Ь рис. 339 в видно также, что в равновесии днища потенциальных ям Е,! и Е,г находятся на разных уровнях. Это показывает, что при переходе через контактный слой внутри металлов потенциальная энергия электрона — еу! тоже изменяется. Контактный скачок потенциала б!гг выражается так: 464 элвктгичвскив явлвния в контактах гл.
х1х электродвижущая сила цепи, составленной из какого угодно числа электронных проводников (проводников 1-го рода), находящихся при одинаковой температуре, равна нулю. Однако если температура контактов неодинакова, то полная ЭДС цепи уже не равна нулю, и при замыкании цепи в ней появляется ток. Это явление получило название терлеоэлекшричества, а возникающая ЭДС называется термвэлектродвижуп4ей силой ( терм в- ЗДС) . .1 а б А В С 1з А В С Р Рнс. 34Ь Распределение потенциала н цепи, изображенной на рнс.
340> прн т1 =Т (а) впряг > 7 (В) Чтобы пояснить причины возникновения термо-ЭДС вернемся опять к простой цепи из двух проводников (см. рис. 340) и положим, что температура Т| контакта В больше температуры Т контакта С. Будем также считать для простоты, что температура разомкнутых концов цепи А и 4) одинакова и тоже равна Т. Так как тепловые скорости электронов вблизи контакта В больше, чем вблизи контакта С, то в проводнике Я возникнет поток диффузии электронов, направленный от В к С. В случае полупроводников, в которых концентрация электронов увеличивается при повышении температуры, появится еще и дополнительный поток диффузии того же направления, вызванный различием концентраций электронов в горячем и холодном концах проводника.
Поэтому в проводнике й (на его поверхности) возникнут электрические заряды и внутри проводника образуется электрическое поле такой величины, чтобы в установившемся состоянии вызываемый этим полем ток дрейфа компенсировал ток диффузии. Следовательно, при наличии в проводнике градиента температуры в нем возникает и градиент электрического потенциала. Сказанное полностью относится и к проводнику 1.
Однако термо-ЭДС обусловлена не только возникновением диффузии в объеме, но еще и контактными скачками потенциала с'13 и Цг Так как они зависят от температуры, то сумма их уже не равна нулю. Распределение потенциала в цепи при 465 1 199 твгмоэлвктРичвство неравенстве температур контактов показано на рис. 341 6. Напряжение К, регистрируемое вольтметром и равное термо-ЭДС, складывается из падения напряжения в объеме проводников и скачков потенциала в контактах. Термозлектричество было открыто Зеебеком еще в двадцатых годах прошлого века.
Для его наблюдения достаточно присоединить к милливольтметру два куска медной проволоки и замкнуть их куском проволоки из другого материала, например железа. Пока температура обоих спаев одинакова, милли- вольтметр не обнаруживает никакой ЭДС. Но при нагревании одного из спаев в цепи появляется термо-ЭДС и стрелка милли- вольтметра отклоняется.
Если нагретый спай охладить и затем нагреть другой спай, то знак термо-ЭДС изменяется и стрелка милливольтметра отклоняется в другую сторону. В табл. 18 приведены значения термо-ЭДС в милливольтах для некоторых особенно употребительных пар металлов (температура холодного спая 0 'С). Таблица 16 Термо-ЭДС цепи, составленной из двух различных проводников 1 и 9, при малой разности температур ЬТ межлу обоими спаями выражается формулой ЬЖ = (а1 — аз)ЬТ, (199.1) где а1 зависит от природы проводника 1, а аг -- от природы проводника Я. Эти величины зависят также от температуры, и поэтому ЬТ в приведенной формуле должно быть мало.
Формула (199.1) показывает, что термо-ЭДС цепи есть разность термо- ЭДС каждого из плеч цепи, и что в каждом из проводников возникает термо-ЭДС ЬФ, = О,ЬТ (4 = 1, 2). Величина а = ое/й (199.2) называется дифференциальной термо-ЭДС данного вещества. Она равна термо-ЭДС, развивак1щейся в данном проводнике при разности температур между его концами в 1 К.
ГЛ Х1Х ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ При немалой разности температур обоих спаев термо-ЭДС равна Те (гт! — гт2) гсТ, (199.3) Тс где Тт — температура холодного сная, а Т2 — горячего. Если в данном температурном интервале (Т2 — Т1) величины гхт и тт2 изменяются слабо, то вместо формулы (199.3) получаем 6 (ге 1 ст2) (Т2 Т1 ) (199 А) Здесь гтт и гт2 — средние значения дифференциальных термо- ЭДС в данном температурном интервале.
Чтобы определить не только величину, но и направление термоэлектрического тока, дифференциальной термо-ЭДС приписывают определенный знак. Величина гт счптпаепсся полоыгсиггселыной, если возииеиюпсий ы тсроыовтсиее тгсермотвон тгсечепс отгс горячего конца н холодному. Или, другими словами, в замкнутой цепи термоток течет в горячем спае от проводника с меньшим ст (элгебраически) к проводнику с ббльшим гт. В табл. 19 в качестве примера даны средние значения сх в микровольтах на градус кельвина в температурном интервале 0 — 100 'С для некоторых металлов., измеренные относительно платины. Тьблииа 19 Абсолютные значения гт получаются из приведенных в таблице прибавлением гтгс — — — 4,4 мкВгсК 1).
Так, для сурьмы имеем: ствь = +47,0 — 4,4 = 42,6 = 43 мкВггК. Рассмотрим, например, термопару железо — константан. Дифференциальная термо-ЭДС этой цепи равна +16с0 — ( — 34,4) = + +50,4 мкВггК. При разности температур спаев Т2 — Т, = 100 К термо-ЭДС этой пары будет +50,4 ° 100 мкВ = 5,04 мВ. Ток в горячем спае будет течь от константана ( — 34,4) к железу (+16,0). Из приведенных таблиц видно, что термо-ЭДС у металлов мала. Однако для полупроводников она намного больше и сильно зависит от содержащихся в них примесей. Для некоторых полупроводниковых соединений дифференциальная термо-ЭДС ') Значение онс получено при Т = О 'С 4б7 1 200 ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ может достигать значений 1000 мкВ/К и даже больше.
Поэтому в цепи, составленной из полупроводника и металла, термо-ЭДС цепи очень слабо зависит от рода металла и определяется практически только полупроводником. й 200. Эффект Пельтье Опыт показывает, что кроме тепла Джоуля-Ленца, выделяемого током в объеме проводника, наблюдаются тепловые явления в контакте двух различных проводников, даже если зти проводники первоначально находятся при одинаковой температуре. В контакте, через который проходит ток, происходит, в зависимости от направления тока, выделение или поглощение тепла, и контакт либо нагревается, либо К в т охлаждается. Это явление получило название эффектна Лельтлье. Для демонстрации эффекта 1 2 Пельтье может служить опыт, изображенный на рис.
342. Здесь 1 и 2 — два стержня из различных проводников, соединенные между собой. Стержни герметически укреплены при помощи замазки внутри стеклянного баллона, снабженного горизонтальной трубкой Т, в которой находится капля воды В. Стеклянный баллон может соединяться с атмосферой или отъединяться от нее при помощи Рис 342 Наблюдение эффекта крапа К и служит в качестве газового термометра.
При нагревании спая давление внутри баллона увеличивается и капля перемещается вправо; при охлаждении спая капля движется в обратном направлении. Для опыта удобно выбрать стержни из сурьмы (ЯЬ) и висмута (Вт). При направлении тока от ЯЬ к В1 спай нагревается. Тепло Пельтье Яп, выделенное или поглощенное в спае, пропорционально полному заряду о, прошедшему через спай, или произведению силы тока 4 на время 1: Яп = Пд = ПИ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
