Р и с. 5

Таким образом, сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи, состоящей из разнородных металлов при различных температура контактов, отлична от нуля. Т.е. в такой цепи появляется э.д.с., прямо пропорциональная разности температур в контактах. Эта э.д.с. называется контактной термоэлектродвижущей силой

(5)

Явление Зеебека не противоречит II началу термодинамики, так как в данном случае внутренняя энергия преобразуется в электрическую, для чего используются 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 - ее отводить.

Вторая причина возникновения термотока обусловлена тем, что если температуры контактов различны, то металлы 1 и 2 нахо­дятся в поле градиента температур. Действительно, рассмотрим, что произойдет, если мы поместим проводник в поле градиента температур (рис. 6).

Р и с. 6

Если Т_а>T_b, то концентрация электронов с более высокой энергией (W>W_F) у нагретого конца (Т_а) будет больше, чем у холодного, а концентрация электронов с более низкой энергией (W<W_F) будет, наоборот, у нагретого конца меньше. Вдоль про­водника возникнет 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 электронов (-), а вблизи горячего - недостаток (+). В результате внутри проводника возникнет электрическое поле, которое будет уменьшать поток быстрых и увеличивать поток медлен­ных электронов, и в равновесии между концами проводника возникает разность потенциалов Δ φ _диф, которая зависит от природы металла и разности температур:

(6)

Термоэлектродвижущая сила слагается из суммы скачков потенциала (5) в контактах и суммы изменений потенциала, вызванных диффузией носителей тока (6)

Для большинства пар металлов температура не влияет на концентрацию свободных электронов, поэтому коэффициент обозначим .

Тогда: (7)

где – называется удельной термо-э.д.с., т.е. термо-э.д.с., возникающей в цепи при разности температур контактов в один градус, или коэффициентом термо-э.д.с., который является характе­ристикой обоих металлов термопары.

На практике это создает определенные неудобства. Для избе­жания их условились величину измерять по отношение к од­ному и тому же металлу, за который принимается свинец. Это означает, что измеряется для термопары, у которой одна ветвь составлена из исследуемого материала, а другая – из свинца.

Коэффициент термоэлектродвижущей силы металла 1 по отношению к металлу 2 определяется по формуле:

где и – значения коэффициентов т.э.д. силы металлов 1 и 2 соответственно по отношению к свинцу. – величина алгебраическая. Знак у a введен для определения направления термотока и обозначает, что в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением a (алгебраически) к другому. Т. e., если в нагретом спае потенциал металла 1 повышается, а потенциал металла 2 понижается, то величина a считается положительной.

Очевидно, справедливо соотношение .

Для комбинации трех любых металлов 1,2,3 справедливо соот­ношение , которое является следствием II закон Вольта. Если спаи из трех проводников 1, 2, 3 поддерживают при различных температурах , то термо-э.д.с. такой замкнутой цепи вычисляется по формуле (положительное направление э.д.с. выбирается по направлению вращения часовой стрелки):

.

Если температуры двух спаев равны между собой, например, , то

т. к. .

Таким образом, термо-э.д.с. не зависит от того, из какого металла сделаны проводники, соединяющие термопару с гальваномет­ром, лишь бы все вспомогательные контакты имели одинаковую тем­пературу, например, комнатную. Явление возникновения термо-э.д.с. можно наблюдать и при контакте полупроводников.

Удельная термо-э.д.с. у полупроводниковых пар разного типа на 2 порядка больше, чем у металлических пар и нелинейно зависит от температуры, что объясняется сильной зависимостью концентрации свободных зарядов в полупроводниках от температуры образца, а также более резкой зависимостью сопротивления полупроводников от температуры. К.п.д. полупроводниковой пары больше, чем у метал­лов. Он достигает 10–18 %. Это объясняется также и малой теплопро­водностью полупроводников.

Поиск по сайту: