IV. Теоретичні відомості та опис установки

1. Електрони провідності в металі перебувають у хаотичному тепловому русі. Ті з них, що мають найбільшу кінетичну енергію, можуть вирватися з металу у навколишній простір. Роботу, яку потрібно виконати, щоб видалити електрон із металу, називають роботою виходу.

Цю роботу електрони виконують за рахунок зменшення своєї кінетичної енергії.

Робота виходу залежить від хімічної природи металу, стану його поверхні і становить кілька електрон-вольт.

2. Недостача електронів у металевому провіднику та їх надлишок у навколишньому просторі, що утворюється внаслідок вилітання частини електронів з металу, проявляється тільки в дуже тонкому шарі по обидва боки від поверхні провідника. У першому наближенні можна вважати, що поверхня металу являє собою подвійний електричний шар – своєрідний дуже тонкий конденсатор. Різниця потенціалів

, (5.1)

де - заряд електрона.

Різницю потенціалів називають контактною різницею потенціалів між металом і навколишнім середовищем.

Поза подвійним шаром електричного поля немає, і потенціал середовища дорівнює нулеві. Можна вважати, що весь об’єм металу становить для електронів провідності «потенціальну яму», «глибина» якої дорівнює роботі виходу (рис. 5.1).

3. Виникнення контактної різниці потенціалів між металевими провідниками, що дотикаються, було відкрито в кінці ХVІІІ ст. італійським фізиком А. Вольтою. Він експериментально встановив два закони (закони Вольти).

- При з’єднанні двох провідників виготовлених з різних металів, між ними виникає контактна різниця потенціалів, яка залежить лише від їхнього хімічного складу і температури.

 

Рис. 5.1

 

- Різниця потенціалів між кінцями кола, що складається з послідовно з’єднаних металевих провідників, які перебувають при однаковій температурі, не залежить від хімічного складу проміжних провідників. Вона дорівнює контактній різниці потенціалів, що виникає при безпосередньому з’єднанні крайніх провідників.

4. Контактна різниця потенціалів двох металів, що мають різні роботи виходу електрона і та концентрації електронних газів і , визначається формулою

(5.2)

Чисельно робота виходу електрона з металів коливається в межах від А=1,31 еВ (цезій) до А=5,5 еВ (платина).

5. Залежність контактної різниці потенціалів від температури зумовлене явище термоелектричного ефекту – явище Зеєбека (1821р.).

Складемо замкнене коло з двох різнорідних металевих провідників 1 і 2: температури контактів а і b будемо підтримувати різними: (рис.5.2). Тоді за формулою (5.2) контактна різниця потенціалів у гарячому контакті а більша, ніж у холодному b: . Внаслідок цього між контактами а і b виникне різниця потенціалів

, яку називають термоелектрорушійною силою.

Використавши формулу (5.2), одержимо:

 

,

або

(5.3)

де є величиною сталою для даної пари металів. Її називають сталою термопари.

6. Замкнене коло провідників, в якому виникає струм за рахунок різної температури контактів провідників, називають термоелементом або термопарою. Із (5.3) видно, що термоелектрорушійна сила термопари пропорційна різниці температур контактів (спаїв).

В 1834 р. французький фізик Ж.Ш.А.Пельтьє виявив явище, зворотне до термоелектричного.

Якщо по замкненому колі, що складається з двох різнорідних металевих провідників 1 і 2, пропускати струм від зовнішнього джерела в тому напрямку, в якому при термоелектричному ефекті протікав би термострум, то контакти а і b набудуть різної температури. Контакт а буде охолоджуватися, а контакт b – нагріватися (рис. 5.3). При зміні напрямку струму контакт а буде нагріватися, а контакт b – охолоджуватися. Це явище було назване явищем Пельтьє.Фізична суть явища полягає у наступному. Контактні різниці потенціалів створюють контактні електричні поля з напруженостями (рис. 5.3 суцільні стрілки) При позначеному напрямку струмуелектрони у контакті b рухаються проти контактного поля (проти ), а в контакті а – вздовж поля (вздовж ) (напрямки руху електронів показано пунктирними стрілками). Отже , в контакті b поле прискорює електрони, і їх кінетична енергія зростає. При зіткненнях з іонами металу в контакті b такі електрони передають іонам енергію, підвищуючи внутрішню енергію контакту. Тому спай b буде нагріватися. У спаї а поле гальмує електрони, і їх кінетична енергія зменшується. При зіткненнях з іонами металу в спаї а такі електрони одержують від іонів енергію, зменшуючи внутрішню енергію спаю. Тому спай а буде охолоджуватися.

Зрозуміло, що при зміні напрямку струму на протилежний нагріватися буде спай а, а охолоджуватися – спай b.

Слід відмітити, що металеві термопари дають малу термоелектрорушійну силу, що не перевищує кількох мілівольт при різниці температур спаїв 100 К. Коефіцієнт корисної дії таких термопар становить близько 0,1 %. Тому практичне використання металевих термопар як генераторів струму (термоелектричний ефект) і холодильників (ефект Пельтьє) економічно не вигідне. В цьому відношенні значно більші можливості мають напівпровідникові термопари. Щодо металевих термопар, то їх практичне використання в основному обмежується вимірюванням температур.

З цією метою складають електричне коло (рис. 5.4), в якому спай b термопари підтримують при постійній відомій температурі (наприклад, при температурі танення льоду). Спай а вміщують у середовище, температуру якого слід виміряти. Знаючи сталутермопари та вимірюючи мілівольтметром Г термоелектрорушійну силу , розраховують температуру :

(5.4)

Як правило, шкалу мілівольтметра градуюють безпосередньо у кельвінах.

Термоелектричний термометр має суттєві переваги перед ртутним. Він має:

- високу чутливість,

- малу температуру інерції,

- широкий діапазон вимірюваних температур, в тому числі дуже низьких та високі температури (~ 2000К),

- можливість вимірювати температуру дуже малих об’ємів середовищ,

- можливість вимірювати температуру дистанційно та в недоступних для людини місцях.

У даній роботі для визначення термопари використовується компенсаційний метод, суть якого стає зрозумілою із схеми (рис. 5.5).

 

Рис. 5.5.