mozok.click » Фізика » Термоелектричні явища
Інформація про новину
  • Переглядів: 369
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 19:14
12-02-2018, 19:14

Термоелектричні явища

Категорія: Фізика

Робота виходу електронів з металу. У 1961 р. Я. І. Френкель висунув гіпотезу для пояснення природи сил, які утримують електрони в металах. Він припустив, що електрони, обертаючись навколо ядер атомів, утворюють негативно заряджений шар на поверхні металу, а розміщені глибше ядра атомів утворюють позитивно заряджений шар. Електричне поле цього подвійного шару, немов у плоскому конденсаторі, діє на вільні електрони з силою, напрямленою всередину металу.

Отже, біля поверхні металу існує «електронна хмарка», заряджена негативно (мал. 64, а). Товщина цієї хмарки є величиною одного порядку з розміром атома (10 10 м). При цьому метал, охоплений негативною електронною хмаркою, відносно вакууму заряджений позитивно (мал. 64, б). Позитивний потенціал внутрішньої частини металу відносно вакууму називають внутрішнім потенціалом ф,.

Потенціальну енергію вільних електронів у вакуумі (поза металом) прийнято вважати за нуль, тоді всередині металу з позитивним внутрішнім потенціалом потенціальна енергія електронів провідності від’ємна, W = -еф,. Тому стверджують, що електрони провідності в металах перебувають у потенціальній ямі з плоским дном (мал. 65) (плоским через те, що поверхневий шар утворює електричне поле, подібне до поля плоского конденсатора).

Для виходу електрона з металу у вакуум потрібно подолати потенціальний бар’єр - поле подвійного поверхневого шару. Це потребує додаткової енергії, яка має бути не меншою за глибину потенціальної ями. Таку енергію електрони провідності можуть дістати внаслідок освітлення металу (зовнішній фотоефект), нагрівання (термоелектронна емісія), бомбардування поверхні металу потоком електронів у вакуумі (вторинна електронна емісія), під дією сильного електричного поля (автоелектронна емісія) тощо.

Найменша додаткова енергія, яку необхідно передати електрону провідності в металі для його виходу у вакуум, називається роботою виходу. Робота виходу дорівнює глибині потенціальної ями, А, = еуґ

Контактна різниця потенціалів. Той факт, що різні метали мають неоднакові внутрішні потенціали ф,, є основою явища, яке дістало назву кон тактної різниці потенціалів.



Ще у 1797 р. італійський фізик Алессандро Вольта довів, що у місці контакту (дотику) двох різних металів виникає різниця потенціалів, яку тепер називають контактною. Досліджуючи різні метали, А. Вольта розмістив їх у ряд (ряд Вольти), в якому кожний наступний метал у контакті з будь-яким попереднім електризується негативно (набуває негативного потенціалу):

Наприклад, залізо в контакті зі свинцем, оловом чи цинком завжди набуває негативного потенціалу.

Експериментально Вольта відкрив два закони:

Перший. У місці контакту двох провідників з різних металів між ними виникає контактна різниця потенціалів, величина якої залежить від хімічного складу речовини провідників та їх температури.

Другий. Контактна різниця потенціалів, що виникає на кінцях розімкненого кола, складеного з кількох послідовно з’єднаних металевих провідників, які перебувають при однаковій температурі, не залежить від хімічного складу проміжних провідників і дорівнює контактній різниці потенціалів крайніх провідників.

З другого закону випливає, що на кінцях розімкненого кола, складеного, наприклад, з перших п’яти металів ряду Вольти, контактна різниця потенціалів буде такою самою, як і при контакті свинцю з алюмінієм.

Причиною виникнення контактної різниці потенціалів є 1) різна робота виходу електронів з цих металів та 2) неоднакова густина електронного газу в них.

Розглянемо, до чого приводить відмінність у роботі виходу електронів з металів. Нехай є пластинки 1 і 2, виготовлені з різних металів, причому Ап > Аі2. їх енергетичні діаграми (залежність зміни потенціальної енергії електрона від координати х над поверхнею металу) (зображено на мал. 66, а).


Наблизимо ці пластинки так, щоб вони дотикались. Тоді потенціальна крива енергетичної діаграми матиме вигляд, зображений на мал. 66, б. З діаграми видно, що для переходу з металу 1 у метал 2 електрон має виконати роботу ДА(. Енергії теплового руху і при кімнатній температурі може бути достатньо для подолання цього бар’єра, але під час переходу з металу 1 у метал 2 електрони повинні подолати потенціальну сходинку, а під час переходу з металу 2 в метал 1 електрони самі «скочуються*. Із сказаного випливає, що

справа наліво має переходити більше електронів, ніж у зворотний бік. Тому метал 1 заряджається негативно, а метал 2 - позитивно, тобто між ними виникає електричне поле. Це поле зосереджене в тонкому перехідному шарі між металами. Воно гальмує перехід електронів із металу 2 в метал 1. Тому потоки в обидва боки вирівнюються - встановлюється рухлива рівновага.

Контактна різниця потенціалів, зумовлена різною роботою виходу електронів з контактуючих металів, може досягти кількох вольт і практично не залежить від температури. Контактна різниця потенціалів між металами, яка зумовлена різною концентрацією вільних електронів у цих металах, не перевищує кількох сотих часток вольта і зростає з підвищенням температури.

Термоелектрорушійна сила. З другого закону Вольти випливає важливий висновок: у замкненому колі, що складається з довільного числа твердих провідників з електронним механізмом провідності й усі контакти яких перебувають при однаковій температурі, результуюча контактна різниця потенціалів дорівнює нулю. Якщо ж температури контактів будуть різні, в колі виникатиме електрорушійна сила. Вперше таке явище спостерігав у 1821 р. німецький фізик Томас Зеєбек (1770-1831).

Справді, розглянемо замкнене коло (мал. 67) з двох електронних провідників А і В з різними концентраціями електронів (пв > пА). Якщо підігріти контакт (спай) Z), то в ньому додаткова кількість електронів перейде з металу В в метал А і контактна різниця потенціалів у з’єднанні D зросте. Оскільки в металі А на кінці D електронів стало більше, вони прямуватимуть до кінця С.

Збільшення концентрації електронів на кінці С спричинить їх перехід з металу А в метал В крізь контакт (спай) С. Звідси вони по металу В перейдуть до контакту D. Якщо температуру контакту D весь час підтримувати більшою, ніж контакту С, то по замкненому колу відбуватиметься напрямлений рух електронів (у нашому випадку - проти руху стрілки годинника). В такому колі діє електрорушійна сила (її називають термоелектрорушійною).

Термоелектрорушійна сила (термо-ЕРС) - це ЕРС, що виникає у замкненому колі, складеному з різнорідних металів, і зумовлена різними температурами контактів.


Величина термо-ЕРС прямо пропорційна різниці температур контактів. Точнішу залежність термо-ЕРС від різниці температур установив у 1863 р. професор Київського університету М. П. Авенаріус (1835-1895).

Зауважимо, що термо-ЕРС невелика і досягає для металів лише кількох стотисячних часток вольта на один градус різниці температур контактів у колі. Помітно більшу термо-ЕРС мають напівпровідники. Це пояснюється тим, що концентрація електронів у напівпровідниках залежить від температури.

У 1834 р. французький фізик Жан Пельтьє (1785-1845) відкрив інше термоелектричне явище, обернене до ефекту Зеєбека. Якщо в електричному колі, складеному з неоднакових електронних провідників, пропускати постійний

струм від зовнішнього джерела (наприклад від акумулятора), то між контактами цього кола виникає різниця температур. Іншими словами, під час проходження постійного струму по неоднорідному колу відбувається перенесення теплоти від одного контакту до іншого. В результаті один контакт охолоджується, інший - нагрівається.

Застосування термоелектричних явищ у науці й техніці. У сучасній науці й техніці широко використовуються прилади й установки, дія яких ґрунтується на термоелектричних явищах.

Прилад, що складається з двох відповідно підібраних металевих провідників (чи напівпровідників) для утворення термо-ЕРС, називається термопарою (або термоелементом).

Металеві термопари використовують для вимірювання температури.

Перші кроки щодо практичного використання явища Пельтьє було зроблено ще в 1838 р., коли російський фізик Е. X. Ленц (1804-1865) на контакті вісмуту з сурмою за допомогою електричного струму заморозив краплину води. Тепер розроблено і створено найрізноманітніші прилади, дія яких ґрунтується на явищі Пельтьє, зокрема термоелектричні холодильники.

Термоелектричні явища знаходять своє застосування у медицині, радіоелектроніці.

Піонером і лідером досліджень у галузі термоелектрики в Україні є академік НАН України Лук’ян Іванович Анатичук. Ним створено Інститут термоелектрики. У 1994 р. створено Міжнародну термоелектричну академію, до складу якої увійшли провідні спеціалісти з 20 країн світу - СІЛА, Англії, Франції, Японії, Італії, Росії, України та інших. Л.І. Анатичук -президент цієї академії.

Дайте відповіді на запитання

1. Що називають внутрішнім потенціалом металу? Які явища ним зумовлені?

2. Сформулюйте закони Вольта.

3. Що називають роботою виходу електрона з металу? Назвіть способи виривання електронів з поверхні металу.

4. Що таке контактна різниця потенціалів? Від чого вона залежить?

5. Які явища належать до термоелектричних? Чи можна вважати процес нагрівання провідника внаслідок проходження електричного струму термоелектричним явищем?

6. Наведіть приклади практичного використання термоелектричних явищ.






^