1id059

Ćwiczenie 17

Cechowanie termopary

17.1. Wstęp teoretyczny

Eksperymentalnie stwierdzono, że na styku dwóch metali powstaje napięcie kontaktowe. W celu wyjaśnienia tego zjawiska należy odwołać się do elektronowej teorii budowy materii Rudego-Lorentza. Metal zbudowany jest z jonów dodatnich, tworzących sieć krystaliczną oraz z poruszających się między nimi swobodnych elektronów. Ilość swobodnych elektronów w jednostce objętości, czyli ich koncentracja, jest w każdym metalu inna. Po zetknięciu ze sobą dwóch metali o różnej koncentracji elektronów w miejscu ich styku następuje dyfuzja elektronów z metalu A o większej koncentracji elektronów swobodnych do metalu B o mniejszej koncentracji. Wskutek tego procesu pierwszy z metali naładuje się dodatnio, a drugi ujemnie (rys. 17.1). Ładowanie to nie będzie trwało długo, bowiem po obu stronach powierzchni S utworzy się „warstwa podwójna”, w której napięcie dojdzie do takiej wartości, że elektrony na ogół nie będą w stanie jej przebyć. Opuściwszy warstwę dodatnio naładowaną metalu A, elektrony będą przez nią przyciągane, a odpychane przez warstwę ujemną metalu B. W ten sposób napięcie kontaktowe dojdzie do pewnej maksymalnej wartości, która już nie zostanie przekroczona. Zmniejszenie tej wartości jest również niemożliwe, gdyż wówczas elektrony, które w większej liczbie bombardują powierzchnię graniczną od strony metalu A, powiększyłyby napięcie kontaktowe do dawnej wartości. W ten sposób ustala się pewna równowaga: powierzchnię graniczną bombarduje większa liczba elektronów od strony A, lecz przejście przez tę powierzchnię jest utrudnione tak, że tylko najszybsze elektrony mogą ją sforsować. Natomiast od strony metalu B powierzchnia graniczna jest bombardowana przez mniejszą liczbę elektronów, lecz jej przejście od tej strony jest ułatwione tak, że stosunkowo większy odsetek całej liczby elektronów metalu B ją przebywa. W stanie równowagi tyle samo elektronów przechodzi z A do B, co z B do A.

Wielkości napięcia kontaktowego nie można mierzyć bezpośrednio; można je jednak porównywać między sobą. Pomocne w tym jest prawo Volty, zgodnie z którym w obwodzie zamkniętym złożonym z dowolnej liczby metalowych przewodników w stałej temperaturze suma wszystkich napięć kontaktowych jest równa zeru. Rysunek 17.2 przedstawia przykładowy obwód zamknięty złożony z trzech