1. Вивчення контактних явищ двох різнорідних металів.
2. Вивчення термоелектричних ефектів.
3. Вивчення способу вимірювання різниці температур двох тіл за допомогою термопари.
Вільні електрони в металі знаходяться в хаотичному русі. Однак вийти з нього вони не можуть, тому що при виході з поверхні металу електрон забирає з собою свій негативний заряд. Це призводить до того, що метал в тому місці, де вийшов електрон, заряджається позитивно і силою свого тяжіння утримує електрон поблизу поверхні. З цієї причини між металом і оточуючим його простором виникає тонке електронну хмару, яке разом з позитивно зарядженими іонами металу утворює подвійний електричний шар, подібний вельми тонкому конденсатору.
Роботу A, яку необхідно здійснити електрону, щоб подолати цей потенційний бар'єр і вийти на поверхню металу називають роботою виходу. різниця потенціалів # 916; # 966; між обкладинками такого конденсатора називається потенціалом виходу, поверхневим стрибком потенціалу або контактною різницею потенціалів між металом і навколишнім середовищем, причому
де e - елементарний заряд.
На рис.1 приведена схема енергетичних рівнів зони провідності при 0 К. На кожному енергетичному рівні, згідно з принципом Паулі, знаходяться два електрони. Hаибольшие енергією володіють електрони поблизу рівня Фермі ЕF. Якщо Е0 - глибина потенційної ями, то робота виходу A. тобто найменша енергія, яку необхідно надати електрону, щоб видалити його з металу, дорівнює:
Робота виходу залежить від роду металу, стану (чистоти) його поверхні і, хоча слабо, від температури. При з'єднанні двох різнорідних металів енергія електронів, відповідна рівнями Фермі обох металів, стає однаковою завдяки тому, що частина електронів з металу 1 переходить на вільні нижчі енергетичні рівні металу 2 (рис. 2). Метал 1 поблизу контакту заряджається позитивним зарядом, а метал 2 - негативним. Різниця потенціалів між точками поблизу поверхні за їх межами U12 = # 966; 2 - # 966; 1 називається зовнішньої контактною різницею потенціалів, а різниця потенціалів між внутрішніми точками металів поблизу контакту
називається внутрішньою контактною різницею потенціалів.
У 1777 році італійський фізик А. Вольта експериментально встановив наступні два закони:
2. Різниця потенціалів між кінцями розімкнутої ланцюга, складеної з кількох послідовно з'єднаних металевих провідників, що мають однакову температуру, не залежить від наявності проміжних провідників і дорівнює контактної різниці потенціалів, що виникає при безпосередньому контакті кінцевих провідників.
З класичної точки зору одну з причин виникнення контактної різниці потенціалів можна пояснити різною концентрацією n вільних електронів в різних металах. Нехай n1> n2 (див. Рис. 3), де n1. n2 - концентрації вільних електронів в першому і другому металах далеко від місця контакту. Виділимо в зоні контакту металів тонкий шар товщиною dx і розрахуємо тиск електронного газу на площадку dS. використовуючи класичну формулу зв'язку тиску газу і концентрації його молекул
де р - тиск, k - постійна Больцмана, Т - абсолютна температура.
Різниця тисків справа і зліва шару dx:
де dn - зміна концентрації електронів в шарі dx.
Сила тиску на майданчик dS:
Сила тиску компенсується електричної силою
де dq - заряд перетнув майданчик dS внаслідок дрейфу вільних електронів; Е - напруженість електричного поля в шарі dx.
Враховуючи що . а. отримуємо:
де d # 966; - різниця потенціалів в шарі dx.
Прирівнюючи (4) і (5), отримуємо:
Якщо скласти замкнутий ланцюг з двох різнорідних металів (рис. 4), то її можна розглядати як ланцюг, що складається з двох ЕРС Е1 і Е2. спрямованих назустріч один одному. Роль цих ЕРС будуть виконувати контактні різниці потенціалів, що виникають в місці спаев цих металів.
Сила струму в цьому ланцюзі по закону Ома буде дорівнює
де R - опір провідників. Якщо температура спаїв однакова, то E2 - E1 = 0 і I = 0.
Якщо. то і по ланцюгу піде струм. Це явище виявив в 1821 р Зеєбек і тому воно носить його ім'я. ТермоЕРС термопари можна обчислити, використовуючи вираз (6) для спаев, що знаходяться при температурах Т1 і Т2 (рис. 4)
Величину позначають і називають постійної термопари.
Якщо залежністю величини від температури можна знехтувати, то
Термопари використовуються для вимірювання різниці температур. Якщо два кінця різних провідників спаяти (зварити, з'єднати і т.д.) один з одним, а інші два вільних кінця приєднати до клем вимірювального приладу, то величина термоЕРС буде визначатися різницею температур спаю і клем вимірювального приладу, зазвичай мають кімнатну температуру. Провідники підбираються таким чином, щоб в певному інтервалі температур не залежала від температури. Постійну однієї з таких термопар потрібно визначити в даній роботі.