saveliev2 (797914), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Разность потенциалов (76.1) устанавливается между точками, лежащими вне металлов в непосредственной близости к их поверхности. Поэтому ее называют в пешнейей контактной разностью потенциалов. Чаще же говорят просто о контактной разности потенци~ алов, подразумевая под ней внешнюю. Между внутренними точками металлов также имеетсв разность !8» 275 потенциалов, которая называется в н утре ни ей.
Как видно из рис. !64, потенциальная энергия электрона в первом металле меньше, чем во втором, иа В'рг — В'ль Соответственно потенциал внутри первого металла вы« ше, чем внутри второго на величину птл 1Р и Выражение (76.2) дает внутреннюю контактную разность потенциалов. На такую величину убывает потенциал при переходе из первого металла во вгорой. та пг Рнс. 166. На рнс, 166 изображены два соприкасающихся металла 1 и 2 и рядом — изменение потенциала вдоль контура, обозначенного штрихпунктирной линией. В зазоре  — С возникает электрическое поле, линии напряжен- ности которого показаны И$-л На рис.
166 дан ход потенциальной энергии электрона вдоль трех различных соприкасающихся друг с другом металлов 1, 2, 3. Из рисунка видно, что устанавливаюРнс. !66. щаяся между металлами 1 и 3 разность потенциалов оказывается в этом случае точно такой, как и при их непосредственном соприкосновении '). То же самое справедливо при любом числе промежуточных звеньев: раз- ') Сами потенциалы прн этом могут измениться.
В частности, может случнтьси, что оба крайние металла будут иметь потенциал одного анака. ность потенциалов между концами цепи определяется разностью работ выхода для металлов, образующих крайние звенья цепи. Внешняя контактная разность потенциалов колеблется для различных пар металлов от неснольких десятых вольта до нескольких вольт. Контактная разность потенциалов возникает и на границе между металлом и полупроводнином, а также на границе между двумя полупроводникамии.
д В заключение отметим, что в замкнутой цепи, со- г ." ° Я ставленной из любого числа l разнородных металлов или 1 полупроводников (рис. 167), / сумма скачков потенциала равна нулю, Следовательно, Ю если все спаи поддерживать при одинаковой температу- р ре, э. д. с. в цепи возник- В ь" путь не может. Возннкновс- л — - — 1 " т1 .. г —" ние тока в такой цепи противоречило бы второму началу термодинамики. Действительно, так как протекание тока в металлах и полупроводниках не сопровождается химическими изменениями, ток совершал бы работу за счет тепла, получаемого от окружающей цепь среды. Никаких побочных процессов (например, передачи части полученного тепла другим телам) прц этом не происходило бы. Таким образом был бы осуществлен перпетуум мобиле второго рода. ф 77.
Термоэлектрические явления Между тепловыми н электрическими процессами в металлах (а также н в полупроводниках) существует определенная взаимосвязь, которая обусловливает ряд явлений, называемых тер мо электр ичес кими: явление Зеебека, явление Пельтье и явление Томсона. Явление Зеебека. Зеебек обнаружил в 1821 г., что если спаи 1 н 2 двух разнородных металлов, образующих замкнугую цепь (рнс. 168), поддерживать при различных температурах, то в цепи течет ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.
Термоэлектродвижущая сила (сокращенно термоэ. д. с.) обусловлена двумя причинами. Как отмечалось г в $ 71, уровень Ферми зависит от л температуры '). Поэтому скачок потенциала при переходе из одного металла в другой [внутренняя контактная разность потенциалов, см. Формулу (76.2)) для спаев, находя щихся при разных температурах, Яа неодинаков и сумма скачков потенциала для всей цепи отлична от г нуля.
Одного этого было бы достаРис. 168, точно для возникновения действую- щей в указанном иа рис. 168 стрел. ной направлении э. д. с., равной б'„,= и;,(Т,)+ и;„[Т,)= 1 ([)тгА(ТВ) УУУВ(ТЪ))+[)77рн(Т2) ИГРА(Т2)1) ! = — ([ИУгв(Т ) — )Р„(Т,)[ — [)Р А(Т ) — Я7„„(Т,)[). Последнее выражение можно представить следующим образом: мке = Л вЂ” — "и ~ЙТ вЂ” ~ ( — — "~) г(Т. (77.Ц У, г, Чтобы понять вторую причину возникновения термез. д. с., рассмотрим однородный металлический проводник, вдоль которого имеется градиент температуры (рис. 169).
В этом случае концентрация электронов с более высокой энергией (с В') )Рр) у нагретого конца будет больше, чем у холодного„концентрация электронов с более низкой энергией (с )г'( (Р;) будет, наобо- '1 Для металлов при невысоких температурах (когда аг С"аГ эта зависимость имеет вид на ~ Ьг )э1 где Г„ — уровень Ферми прн 0 К рот, у нагретого конца меньше.
Вдоль проводника возникает градиент концентрации электронов с данным значением энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных — к теплому. Диффузионный поток быстрых электронов будет больше, чем поток медленных электронов. Поэтому вблизи холодного конца образуется избыток электро- Ь /Т ~ Т) 4 нов, а вблизи горячего — их недостаток.
В результате внутри проводника возникнет электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Оно бу. дет уменьшать поток быстрых и увеличивать поток медленных электронов. Когда оба потока выравняются Рис. 169, в каждом сечении, наступит равновесное состояние.
При этом на каждом участке проводника длиной дх будет происходить изменение потенциала йр, соответствующее изменению температуры йТ на том же участке. Введем обозначение й= — ° йг' (77.2) В общем случае потенциал вдоль проводника может изменяться по разным причинам. Под Ы~ в-(77.2) подразумевается только та часть изменения потенциала, которая вызвана градиентом температуры. Между концами проводника, находящимися при тем. пературах Т, и Т,, появляется разность потенциалов г, Др „= ~Р (Т. (77.3) г, Величина р невелика — порядка 10-4 в/град.
Поэтому обнаружить разность потенциалов (77.3) бывает трудно. Описанный процесс возникновения разности потенциалов на концах неравномерно нагретого проводника имеет место и в полупроводниках. Если носителями тока являются электроны, потенциал нагретого конца, как мы Воспользовавшись обозначением (77.5) выражение для термо-э. д.
с. можно представить в виде г, т, сз'„пие — — ) ал г/Т вЂ” ) аа г/Т. (77.6) т, г, Если ал и сап в предслах интервала Т1 —. Т, мало изменяются с температурой, можно написать ~ терно ИАВ (Т1 Тз)~ где через алн обозначена разность сел — ал. Величину алв называют удельной терм о-э.д. с, данной пары металлов нли полупроводников. Для большинства пар металлов если имеет порядок 10 з —: 10-е в/град; для полупроводников она может оказаться гораздо больше(до 1,5 ° 1О з и/град), Это объясняется тем, что у полупроводников с разным типом проводилюсти а имеет разные знаки '), вследствие чего 1алв) = )сел! + )сев!.
В отдельных случаях удельная термо-э. д. с. слабо зависит от температуры. Однако, как правило, с увеличением разности температур спаса 8'„рмо изменяется не по линейному закону, а довольно сложным образом, вплоть до того, что может менять знак. Так, аапример, если один свай пары железо — лзедь поддерживать при 0'С, то при температуре второго сная, равной примерно 540'С, термо-э. д. с. обращается в нуль; при более низкой температуре сная Ф „рм, имеет один знак, при более высокой †друг. Явление Зеебека используется для измерения температур. Соответствующее устройство называется те р м опарой. Один спай термопары поддерживают при постоянной температуре (например, при 0' С), другой помещают в тот объем, температуру которого хотят измерить.
О величине температуры можно судить по силе возникающего термо-тока, измеряемой гальванометром. Более точный результат получается, если измерять возникающую термо-э. д. с. по методу компенсация. ') При повыщении температуры уровни Ферми примесвых полупроводников смещаются по направлению к середние запрещенной зовы, т. е. для полупроводников разных типов в противоположные стороны. Величина (77.2) для полупроводников с разным типом проводимости также имеет разные знаки. 28) С помощью термопар можно измерять с точностью порядка сотых долей градуса как низкие, так и высокие температуры.
В качестве источников тока термопары из металлов и нх сплавов не используются вследствие весьма низкого к. п. д. (не более О,бвв). Термопары из полупроводниковых материалов обладают гораздо большим к. п. д. (до 77о). Они уже нашли применение в качестве небольших генераторов тока для бытовых целей. Энергии такого генератора, надеваемого в виде абажура 'иа стекло керосиновой лампы, хватает для питания радиоприемника. Явление Пельтье. Это явление, открытое Пельтье в 1834 г., заключается в том, что при протекании тока через цепь, составленную из разнородных металлов или полупроводников, в одних спаях происходит выделение, а в других — поглощение тепла.
Таким образом, явление Пельтье оказывается обратным явлению Зеебека. Количество ' выделившегося тепла определяется выражением (77.8) Рлв=Плв Ч=ПлвЯ где д — заряд, прошедший через спай, Плв — коэффициент пропорциональности, называемый к о э ф ф и ц и е нто м П ельтье (ток течет от звена А к звену В).
В отличие от тепла Джоуля-Ленца тепло Пельтье пропорционально не квадрату, а первой степени силы тока. При перемене направления тока Я изменяет знак, т. е. вместо выделения тепла наблюдается поглощение такого же количества тепла (при том же д). Следовательно, Плв = Пвл. Между коэффициентом Пельтье и коэффициентом термо-э. д. с. имеется вытекающее из законов термодинамики соотношение Плв = плву. (77.9) Явление Пельтье имеет следующее объяснение. Носители тока (электроиы или дырки) по разные стороны от спая имеют различную среднюю энергию (имеется в виду полная энергия — кинетическая плюс потенциальная). Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они отдают избытокэнер- гни кристаллической реп1етке, в результате чего сдай нагревается. На другом спае носители переходят в орласть с большей энергией; недостающую энергию они заимствуют у решетки, что приводит к охлаждению спая.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
