Kontaktowa różnica potencjałów na styku dwóch różnych metali jest wynikiem tak zwanego potencjału Volty. Volta stwierdził, że przy zetknięciu dwóch różnych metali powstaje między nimi różnica potencjału. Metale można ustawić w taki szereg, że każdy poprzedni metal przy zetknięciu z dowolnym następnym elektryzuje się dodatnio. Szereg ten jest następujący: Al., Zn, Sn, Cd, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd. Volt udowodnił, że jeżeli utworzymy zamknięty łańcuch z różnych metali to w łańcuchu takim suma napięć Volty równa się zeru. Jeżeli (AB) oznacza napięcie między metalami A i B, to wynik powyższy można dla trzech np. metali zapisać w formie równania:

(AB) + (BC) + (CA) = 0

stąd

(AB) + (BC) = (AC)

czyli napięcie Volty między metalami A i C jest równe sumie napięć pomiędzy A i B oraz B i C i jest zależne od charakteru końcowych przewodników AC. Kontaktowa różnica potencjałów waha się dla różnych par metali w granicach od kilku dziesiętnych wolta do 1 wolta. Wyjaśnienie kontaktowej różnicy potencjałów opiera się na mechanice kwantowej, a nie klasycznej. Według mechaniki kwantowej, każdy układ może znajdować się w ściśle określonych dla siebie stanach energetycznych.

W temperaturze zera bezwzględnego elektrony posiadają przeciętną energię kinetyczną różną od zera. Energia ta równa 3/5 ξ₀ gdzie ξ₀ tzw. energia Fermiego, oznacza maksymalną energię kinetyczną elektronu w zerze bezwzględnym zależną od liczby elektronów na jednostkę objętości. Dla temperatur różnych od zera bezwzględnego zamiast ξ₀ występuje ξ zależny od temperatury. Poziom Fermiego określa energię najwyższego z zajętych przez elektrony poziomu w temp. zera bezwzględnego. Energia, jaką dysponują elektrony walencyjne w temperaturach równych zeru, jest niewystarczająca, aby mogły opuścić metal, ponieważ bariera potencjału jest dużo wyższa. Praca wyjścia elektronów z metalu W=E_P0-E_F gdzie E_F - energia poziomu Ferniego w temp. T=0⁰ K

m - masa elektronu

n - liczba elektronów walencyjnych

Jednostką pracy wyjścia jest elektronoVolt.

Termoelement składa się z dwu przewodników metalicznych, których spojenia mają różne temperatury. Termoelement może spełniać rolę termometru. Najczęściej stosuje się termoelementy wykonane z 40% Ni i 60% Cu o zakresie do 500^o C.

Siła termoelektryczna przyjmuje ostatecznie postać:

czynnik przed nawiasem można przyjąć za stały dla danej pary metali w określonym przedziale temperatur.

Jak wynika ze wzoru siła termoelektryczna jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur spojeń i zależy od rodzaju metali tworzących złącze. Jednostką siły termoelektrycznej jest [V/K]. Ponieważ prąd termoelektryczny płynie pod działaniem ciepła dostarczonego spojeniu o wyższej temp. i ponieważ utrzymanie drugiego spojenia w temp. niższej wymaga odprowadzania ciepła, przeto obwód termoelektryczny musi pochłaniać ciepło w wyższej temp. i oddając część ciepła zbiornikowi o niższej temp. Ilość ciepła pobranego i oddanego musi być proporcjonalna do natężenia prądu, ponieważ przy określonej różnicy temperatur energia zużywana w obwodzie na ciepło Joule'a jest proporcjonalna do natężenia prądu. Jeżeli obwód złożony z dwu różnych metali o jednakowych temp. spojeń zasilimy prądem z zewnątrz, utrzymując przy tym stałość temp. spojeń, to nie zachodzi w nim przemiana ciepła w pracę elektryczną. Ilość ciepła pobieranego w jednym spojeniu musi więc być równa ilości ciepła oddawanego w spojeniu drugim w tej samej temp. Jeżeli nie utrzymamy stałych temperatur, to przekonamy się, że w skutek wydzielania się ciepła w jednym spojeniu, a pochłania w drugim między spojeniami powstaje różnica różnica temperatur. Te wymiany ciepła z powietrza zauważył A. Peltier. W obwodzie złożonym z bizmutu i antymonu i zasilanego z baterii. Różnica temp. w bańkach powoduje powstanie różnicy ciśnień i przesunięcie poziomów cieczy w manometrze. Gdy przez spojenie dwu różnych metali przepływa prąd, w spojeniu tym zachodzi wydzielenie lub pochłonięcie ciepła, zależnie od kierunku przepływu prądu.

Drugim zjawiskiem związanym z przepływem prądu w warunkach istnienia różnicy temperatur wzdłuż obwodu jest zjawisko Thomsona. Gdy w jednorodnym metalu powstanie różnica temperatur, to powstanie w nim siła elektromotoryczna zależna od tej różnicy. Odwrotnie gdy mamy metal, w którym płynie prąd, wówczas przepływowi tego rodzaju prądu towarzyszy nie tylko wydzielenie ciepła Joule'a, lecz i dodatkowe wydzielenie się lub pochłanianie ciepła tzw. ciepła Thomsona, zależne od kierunku prądu i kierunku spadku temperatury.

---