Изучение термоэлектрических явлений при контакте металлов (лабораторная работа), страница 7

         На рис. 3 приведены графики потенциальной энергии электрона, причем рис. 3а изображает уровни энергии до приведения металлов в  соприкосновение, а рис. 3б – после их контакта.

Электроны будут преимущественно переходить из металла 1 с меньшей работой выхода  в металл 2 с большей работой выхода  (рис. 3), т. к. электроны стремятся занять состояния с меньшей потенциальной энергией. В результате при  во втором металле концентрация электронов будет больше, и второй металл зарядится отрицательно, а первый положительно. Потенциал первого металла возрастет, второго – уменьшится, а потенциальная энергия электрона в первом металле уменьшится, а во втором – увеличится.

         Условием равновесия между соприкасающимися металлами является равенство их химических потенциалов  (рис. 3б). В результате в тонком пограничном слое толщиной, сравнимой с длиной свободного пробега электрона м устанавливается внутренняя контактная разность потенциалов, препятствующая дальнейшему переходу электронов. После установления динамического равновесия толщина пограничного слоя практически не меняется. Из рис. 3б видно, что потенциальная энергия электрона в первом металле меньше, чем во втором, а потенциал внутри первого металла выше, чем внутри второго на величину  (10), где заряд электрона. Это разность потенциалов между внутренними точками металла называется внутренней контактной  разностью потенциалов.

         В непосредственной близости от поверхности концов металла электроны имеют разную энергию (рис. 3б), что указывает на наличие между металлами внешней контактной разности потенциалов

.                                                     (11)

Значение внешней разности потенциалов между концами цепи определяется разностью работ выхода для металлов, образующих крайние звенья цепи.

Термоэлектрические явления обусловлены связью между электрическими и тепловыми процессами в металлах. К числу таких явлений принадлежит эффект Зеебека. Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи из двух (и более) проводников (рис. 4) возникает термо-ЭДС (ТЭДС), если их контакты поддерживаются при различных температурах. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока в цепи.

         Термоэлектродвижущая сила обусловлена тремя причинами:

1)  зависимостью химического потенциала от температуры;

2)  диффузией электронов (или дырок);

3)  увлечением электронов фононами.

Зеебек в 1921г получил линейную зависимость ТЭДС  от разности температур  в виде

,                                           (12)

 где - удельная ТЭДС данной пары металлов - считалась постоянной величиной, зависящей только от природы металлов. В дальнейшем выяснилось, что  зависит от температуры и закон (12),  справедлив лишь в небольшом интервале  температур, поэтому

 .                                                          (13)