Концентрация свободных электронов n – количество свободных электронов в единице объёма проводника.

I. При контакте двух металлов с разной работой выхода (например, А₁< А₂), но с одинаковой концентрацией свободных электронов (n₀₁=n₀₂) происходит преимущественный перенос электронов из первого металла во второй, так как электронам легче выйти из металла с меньшей работой выхода. В результате первый металл заряжается положительно, второй – отрицательно (рис.1).

Возникшее при этом электрическое поле препятствует дальнейшему переходу электронов и совсем прекратит его, когда установится разность потенциалов:

(1)

где е – заряд электрона.

Разность потенциалов называют внешней контактной разностью потенциалов.

II. При контакте двух металлов с одинаковой работой выхода (А₁=А₂), но с разной концентрацией свободных электронов (например, n₀₁> n₀₂) из первого металла будет выходить больше электронов, чем из второго (рис.2). Преимущественный перенос электронов из первого металла во второй обусловлен явлением диффузии. В результате на границе раздела металлов возникнет разность потенциалов, которая прекратит дальнейшую перекачку электронов:

(2)

где k – постоянная Больцмана, е – заряд электрона.

Разность потенциалов называют внутренней контактной разностью потенциалов.

III. В общем случае контакта металлов, различающихся и работой выхода (А₁ А₂) и концентрацией свободных электронов (n₀₁ n₀₂), контактная разность потенциалов , согласно формулам (1) и (2), будет равна:

(3)

Зависимостью контактной разности потенциалов от температуры обусловлено явление термоэлектрического эффекта.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных металлов I и II. Температуры контактов “a” и “б” разные Т_а ≠ Т_б (рис.3).

Согласно формуле (3) контактные разности потенциалов в горячем и холодном спаях будут различны: U₁₂ ≠ U_{21 .}

Полную электродвижущую силу Е, возникающую в замкнутой цепи и равную сумме скачков потенциалов называют термоэлектродвижущей силой (термоэдс):

Пользуясь формулой (3) получим

или

(4)

где - есть постоянная для данной пары металлов величина называемая удельной термоэдс. Удельная термоэдс - это физическая величина, которая показывает, какая термоэдс возникает в замкнутой цепи при разности температуры спаев равной 1 К. Единица измерения удельной термоэдс – вольт на кельвин (В/К).

Замкнутая цепь, состоящая из двух разнородных проводников, создающая ток за счет различия температур контактов, называется термопарой. Используются термопары для измерения температуры. Согласно формуле (4) термоэдс термопары прямопропорциональна разности температур контактов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: проградуировать термопару и определить её удельную термоэдс.

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Для практического использования термопары её необходимо проградуировать, т.е. экспериментально установить зависимость термоэдс от разности температур спаев. Результаты градуировки изображаются в виде графика E= f(Δ T).

Экспериментальная установка (рис.4) состоит из термопары и гальванометра. Спай “а” термопары помещён в сосуд с водой I, находящийся при постоянной температуре Т ₁. Спай “б” находится в сосуде с водой II, который будет нагреваться. В оба сосуда помещены термометры.

При нагревании воды в сосуде II спай “б” прогревают до температуры Т₂. В цепи возникает ток I₁:

(5)

где E – термоэдс при разности температур Δ T=Т₂ -Т₁,

R₀ – сопротивление термопары и гальванометра,

n₁ – число делений на гальванометре, соответствующих температуре спая “б” Т₂,

i - постоянная гальванометра по току.

Если, не изменяя температуры Т₂ включить последовательно с гальванометром добавочное сопротивление R (рис.4), то величина термотока будет другой – I₂:

(6)

где n₂ – число делений на гальванометре, соответствующих температуре спая “б” Т₂, но с включенным добавочным сопротивлением R.

Исключив из уравнений (5) и (6) R₀, получим:

(7) Подставив (7) в выражение (4), получим формулу для определения удельной термоэдс:

(8)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ОБОРУДОВАНИЕ: термопара, гальванометр, нагревательный прибор, термометры, магазин сопротивлений, сосуды с водой.

ХОД РАБОТЫ:

А. ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ.

В данной работе градуируется термопара, состоящая из константана и меди.

1. Выключают внешнее сопротивление R.

2. Добиваются, чтобы температура в обоих сосудах была одинаковой, и в цепи не было тока. (Стрелка микроамперметра находится на нуле).

3. Включив электронагреватель, нагревают воду в сосуде II и фиксируют показания микроамперметра n₁ через каждые 10°С. Производят отсчет до 100°С (373 К). Полученные данные заносят в таблицу1.

Таблица 1.

1). Т₁ - температура холодного спая.

2). Т₂ - температура нагретого спая.

4. При температуре 100⁰ включают внешнее сопротивление R и снимают показания микроамперметра n_{2 .}

5. Полученные данные заносят в таблицу 2.

Таблица 2.

6. Выключают внешнее сопротивление.

7. Строят график зависимости

8. По графику градуировки определяют градуировочный коэффициент γ, т.е. зависимость возникающей в термопаре эдс от разности температур на ее спаях, как тангенс угла наклона графика к оси абсцисс

Б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕРМОЭДС ТЕРМОПАРЫ.

1. Удельную термоэдс E₀ рассчитывают три раза при различных значениях внешнего сопротивления R и n₂ по формуле (8), где n ₁- берется при 100⁰С, без сопротивления (R =0), Т₁ - температура холодного спая, Т₂ – температура горячего спая (373 К).

2. Рассчитывают абсолютную и относительную погрешность измерения удельной термоэдс.

3. Записывают окончательный результат в виде:

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ.

1. Что называют контактной разностью потенциалов?

2. Что называется работой выхода электрона из металла? От чего она зависит? В каких единицах измеряется?

3. Каковы причины возникновения контактной разности потенциалов?

4. Что называют термоэлектрическим эффектом?

5. От чего зависит величина термоэдс (вывести формулу)?

6. Каков физический смысл удельной термо-ЭДС?

7. Что такое термопара? Где находят применение термопары?

ЛИТЕРАТУРА

1. Грабовский Р.И. Курс физики. – СПб.: «Лань», 2009.