Если два бруска изготовленных из разных металлов плотно прижать друг к другу, то на их контакте сформируется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов.
Данное явление обусловлено различием в величинах работ выхода электронов из металла, характерных для каждого из двух контактирующих металлов. Работой выхода электронов из металла (или просто работой выхода) называют работу, которую необходимо затратить на то, чтобы переместить электрон из поверхности металла в окружающий вакуум.
Практически, чем больше значение работы выхода — тем меньше вероятность того, что электроны смогут перейти границу раздела. В результате получается, что на той стороне контакта, где находится металл с большей (!) работой выхода скапливается отрицательный заряд, а на стороне металла с меньшей работой выхода — положительный.
Итальянский физик Алессандро Вольта наблюдал это явление и описал его. Из опыта он вывел два закона, известных сегодня как законы Вольта.
Первый закон Вольта звучит так: на контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит от химической природы и от температуры спаев.
Второй закон Вольта: разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре.
С позиции классической электронной теории необычные результаты эксперимента Вольта объясняются довольно просто. Если принять за ноль потенциал за пределами металла, то внутри металла с потенциалом ?i энергия электрона относительно вакуума будет равна:
Приведя в контакт два разных металла с работами выхода А1 и А2, будем наблюдать избыточный переход электронов из второго металла, с меньшей работой выхода, в первый металл, работа выхода из которого больше.
В результате этого перехода концентрация (n1) электронов в первом металле увеличится по сравнению с концентрацией электронов во втором металле (n2), что как раз и породит обратный избыточный диффузный поток электронного газа, направленный противоположно потоку, обусловленному различием работ выхода.
В состоянии равновесия на границе двух металлов установится следующая разность потенциалов:
Значение установившейся разности потенциалов можно определить так:
Данное явление, при котором возникает контактная разность потенциалов, очевидно зависящая от температуры, именуется термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека. На эффекте Зеебека основана работа термопар и термоэлектрических генераторов.
Термопара состоит из двух спаев двух разных металлов. Если один из спаев поддерживать при более высокой температуре чем другой, то на выводах термопары возникнет термоЭДС:
Термопары служат для измерения температуры, а батареи, набранные из множества термопар, могут применяться в качестве источников ЭДС и даже термоэлектрических генераторов.
В термоэлектрическом генераторе при нагревании спая двух разных металлов, между свободными выводами, находящимися при более низкой температуре, возникает термоэлектрическая разность потенциалов или термоЭДС. И если замкнуть такую цепь на сопротивление, то в цепи потечет ток, то есть будет происходить непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую.
Коэффициент термоЭДС, как говорил Вольта, зависит от природы металлов входящих в данную термопару. Значения термоЭДС для разных термопар измеряются в микровольтах на градус.
Если взять проводник в форме кольца, составленный из двух разных металлов А и Б, соединенных в двух местах, и нагреть одно из мест соединения до температуры Т1, так чтобы температура Т1 получилась больше чем Т2 (температура второго соединения), то в горячем контакте ток будет направлен из металла Б в металл А, а в холодном — из металла А в металл Б. ТермоЭДС металла А считают в этом случае положительной относительно металла Б.
Все известные металлы обладают собственными значениями коэффициентов термоЭДС, их можно расположить последовательно в столбец, так чтобы каждый металл показывал положительную термоЭДС по отношению к нижеследующему.
Вот, например, список термоЭДС (выраженных в милливольтах), которые получатся при соединении указанных металлов в паре с платиной при разности температур контактов в 100 градусов:
С помощью приведенных данных можно определить, какая термоЭДС получится если соединить, например, медь с алюминием и поддерживать разность температур контактов в 100 градусов. Достаточно вычесть меньшее значение термоЭДС из большего. Так, пара медь-алюминий при разнице температур в 100 градусов даст термоЭДС равную 0,74 — 0,38 = 0,36 (мВ).
Портативный термогенератор Biolite CampStove
Термоэлектрические генераторы на чистых металлах не эффективны (их КПД около 1%), поэтому они не получили широкого распространения. Однако стоит отметить полупроводниковые термоэлектрические преобразователи, показывающие КПД до 7%.
В их основе - сильно легированные полупроводники, твердые растворы на основе халькогенидов пятой группы. Для поддержания «горячей» стороны при постоянной температуре подходит солнечный свет или тепло разогретой печи.
Подобные устройства применимы в качестве альтернативных источников энергии на удаленных объектах: маяках, метеостанциях, космических аппаратах, навигационных буях, активных ретрансляторах, станциях антикоррозийной защиты нефте- и газопроводов.
Главные преимущества термоэлектрических генераторов заключаются в отсутствии движущихся частей, бесшумной работе, сравнительно небольших размерах и простоте настройки. Однако главный их недостаток — чрезвычайно низкий КПД в районе 6%, нивелирует эти достоинства.