Градуирование термоэлемента и определение его удельной термо-Э.Д.С.: Методическое пособие к лабораторной работе № 9, страница 2

На свободных концах металла, наряду с внутренней  возника-  внешняя контактная разность потенциалов, появление которой ясно из РИС.4. Когда металлы приводятся в соприкосно-вение, в контактном слое возникает внутренняя контактная разность потенциалов  U_i , поэтому между основаниями потенциальных энергетических ям устанавливается некоторая энергетическая разность

Разность же энергетических уровней между свободными концами

В соответствии с этим раз-ность потенциалов между свободными концами

 

или

 

Так как  Δφ – величина порядка нескольких вольт, а  U_i ~ 10^-2 – 10^-3 B,то за исключением случая, рассмотренного ниже, можно считать

 

Существование контактной разности потенциалов было отк-рыто работами Вольты ещё в XVIII веке. Он установил ряд мета-ллов (ряд Вольты), в котором каждый предыдущий металл при соприкосновении с любым из последующих металлов электризуется положительно. Вот этот ряд:

Al, Zn, Sn, Cd, Pb, Si, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd

Вольта также установил, что если последовательно соединить друг с другом несколько различных металлов, то на концах этого ряда возникает разность потенциалов, не зависящая от промежуточных металлов и равная разности потенциалов при непосредственном контакте крайних металлов.

§ 3. Термоэлектричество

Естественно встаёт вопрос: нельзя ли контактную разность потенциалов использовать для получения электрического тока. На первый взгляд кажется, что достаточно соединить концы А и В (РИС.5), как по цепи потечёт электрический ток.

Подсчитаем сумму контактных разностей потенциалов по всей замкнутой цепи

Если температура в точках 1 и 2 (РИС.6) одинакова, то это выражение равно нулю, так как

В соответствии с рассмотренным выше, ничего не изменится, если эта цепь будет состоять не из двух, а из любого количества разных металлов.

Мы приходим к принципиально важному выводу: в замкну-той цепи, состоящей из проводников только первого рода, су-мма скачков потенциалов равна нулю, если все места контак-тов находятся при одинаковой температуре.

Дело, однако, коренным образом меняется, если различные контакты находятся при разных температурах (РИС.6):

и в цепи возникает ток. Этот ток существует только при наличии разности температур  (Т₁ – Т₂) , называется термотоком, а суммарная контактная разность потенциалов – термоэлектро-движущей силой. Таким образом, термоэлектродвижущая сила

 

Формула (4) носит приближённый характер, так как выраже-ние (1), которое здесь используется, получается на основании классической электронной теории и не является точным. Квантовая теория даёт другое соотношение. Качественно (4) пра-вильно отражает эффект, но зависимость термо-э.д.с. от разности температур в действительности не линейная, а более сложная.

Термоэлектрические явления получили значительное практи-ческое применение. На этом явлении, в частности, основано уст-ройство термопар, применяемых для измерения высоких темпе-ратур и обнаружения малых нагреваний.

Тармопара представляет собой две проволоки из разных ме-таллов, сваренных или спаянных в месте контактов. Один контакт помещается в среду с определённой температурой  Т_о (например, в сосуд с тающим льдом), а другой – в среду с темпе-ратурой  Т. Если к концам термопары подсоединить чувствитель-ный гальванометр, то он измерит термо-э.д.с., соответствующую разности температур  (Т - Т_о). Один раз проградуировав термопа-ру, т.е. установив соответствие между показаниями гальваномет-ра и величинами  (Т – Т_о) для последовательного ряда значений Т можно затем использовать термопару как термометр. Промыш-ленность выпускает термопары, гальванометры к которым прог-радуированы уже в градусах. Для большинства пар металлов температура мест контакта почти не влияет на концентрацию свободных электронов, поэтому в (4)  α = const  и имеет смысл удельной термо-э.д.с., т.е. термо-э.д.с., возникающей при раз-ности температур контактов в 1 градус.