Контактные явления в металлах

Энрико Ферми был членом Итальянской академии наук. Заседания ее проходили во дворце и обставлялись всегда чрезвычайно пышно. Опаздывая на одно из заседаний, Ферми подъехал к дворцу на своем маленьком «фиате». Выглядел он совсем не по-профессорски, имел довольно затрапезный вид, был без положенной мантии и треуголки. Ферми решил все же попытаться проникнуть во дворец. Преградившим ему путь карабинерам он отрекомендовался как «шофер Его Превосходительства профессора Ферми»! Все обошлось благополучно.

Рассмотрим способы «проникновения» свободных электронов внутрь соседних материалов.

Работа выхода электрона. Свободные электроны, обладая кинетической энергией Е = mv²/2, (а, следовательно, и скоростью), могут вылетать за пределы металла, образуя вокруг металла электронное облако размером в несколько атомных радиусов. На поверхности металла при этом образуется избыток положительного заряда или так называемый двойной электрический слой, который препятствует дальнейшему вылету электронов с поверхности металла. Для того, чтобы последующим электронам вылететь из металла, преодолев этот слой, необходимо совершить некоторую работу против электростатических сил. Она называется работой выхода электрона из металла. Таким образом, работа выхода совершается за счет убыли кинетической энергии электрона.

Контактные явления. Работа выхода зависит от рода металла и от чистоты его поверхности. При контакте двух металлов электроны переходят от металла с меньшей работой выхода к металлу с большей работой выхода. Поэтому металл с меньшей работой выхода заряжается положительно, с большей — отрицательно. Такие явления получили названия контактные явления.

Ряд Вольта: Al, Zn, Sn, Cd, Pi), Sb, Bi, Ilg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd.

Металлы этого ряда расположены в порядке возрастания работы выхода. Любой металл ряда в контакте с последующим металлом заряжается положительно. В результате в таком проводнике возникает контактная разность потенциалов

где е — заряд электрона; ДА_{вь1ХОда} — разность работ выхода двух контактирующих металлов. Па контактной разности потенциалов основано действие прибора для измерения температуры под названием термопара.

Термопара — замкнутая цепь из двух контактирующих металлов. Два проводника с разными работами выхода спаиваются в двух точках (спаях). Один спай выдерживается при более низкой температуре, чем второй спай, который является, но сути, температурным зондом.

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур (рис. 6.13). Коэффициент пропорциональности а называют температурным коэффициентом термопары или коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов этот коэффициент разный, и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различной.

Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т_г мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т₂, которое будет пропорционально разности температур Г, и Т.,.

Рис. 6.13. Фотография термопары.

Термопара имеет два существенных преимущества по сравнению с любым другим термометром.

• • Во-первых, интервал измеряемых термопарой температур — от 1 до 2800 К.
• • Во-вторых, точность термопары — 0,01 К.

Эффект Пельтье — это выделение или поглощение дополнительного тепла Q_n (тепло Пельтье) в контакте двух металлов при прохождении тока через контакт; тепло Пельтье пропорционально заряду q, прошедшему через контакт

где П — коэффициент Пельтье, равный внутреннему контактному напряжению и.