Контактная разность потенциалов

В 1797г. Вольт установил, что если привести в электрический контакт металлы в следующей последовательности: Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, то каждый предыдущий металл приобретёт более высокий потенциал, чем последующий. Контактная разность потенциалов Δφ между двумя металлами - порядка несколько микровольт. Если привести в контакт несколько из этих проводников последовательно, то на возникшую разность потенциалов промежуточные проводники не влияют. Поэтому в замкнутой цепи, состоящей из различных материалов, суммарная разность потенциалов равна нулю.

Ток в кольце равен нулю, если температура Т постоянна по всему кольцу.

 

Термоэлектрический ток

Если взять два металла 1 и 2 и привести их в контакт, а концы нагреть так, что Т ₁ не равна Т ₂, то возникает ток, называемый термоэлектрическим током:

Феноменологически возникновение тока в этой электрической цепи можно описать наличием эквивалентной ЭДС, которая называется термо-ЭДС. Для металлов термо-ЭДС описывается уравнением: ε=α(Т ₁- Т ₂), где α – коэффициент термо-ЭДС. У металлов α порядка несколько (мкВ)/⁰С. У полупроводников α порядка 1000 и более (мкВ)/⁰С.

Для пар металлов (Cu, Bi), (Ag, Cu), (Au, Cu), (Pt, Fe) α»const в широком диапазоне температур. В случае пар других металлов α зависит от разности Т ₁ и Т ₂ и даже может менять знак.

В полупроводниках α сильно зависит от Т (т.е. термоэффект большой и нелинейный). Большое значение α для полупроводников связано с сильной зависимостью проводимости полупроводников от температуры.

У полупроводников смешанного типа термотоки, образованные диффузией электронов и дырок, могут компенсировать друг друга. В свинце (Pb) имеет место полная компенсация термотоков, поэтому при измерении коэффициента α у металлов, как правило, их принято выражать относительно свинца. Также приводят значения коэффициента α по отношению к платине и меди.

Таблица значений коэффициентов термо-ЭДС для некоторых металлов и сплавов
по отношению к свинцу

№ п/п	материал	α, мкВ/С^0	№ п/п	материал	α, мкВ/С^0
	Константан	-38.0		Свинец
	Копель	-38.0		Серебро	2.7
	Никель	-20.8		Медь	2.8
	Нихром	-18.0		Золото	2.9
	Алюмель	-17.3		Вольфрам	3.6
	Платина	-4.3		Железо	15.0
	Ртуть	-4.4		Хромель	24.0
	Алюминий	-0.4		Сурьма	43.0
	Олово	-0.2

Коэффициент α материалов чувствителен к ничтожному количеству примесей, термической и холодной обработке. По этой причине α может возникать в цепи, состоящей даже из одного и того же материала, например при наличии неоднородности температуры или механического натяжении различных частей проволоки, и значения приводимых коэффициентов α в различных источниках могут отличаться до 10%.

Явление контактной разности потенциалов и зависимость ее от температуры используют для измерения температуры с помощью термопар. Широко используют термопару ТХК, включающую спай двух проволочных проводников, один, изготовленный из сплава, который называется “хромель” (Ni – 89%, Cr – 9,8%, Fe – 1%, Mn – 0,2%) и второй, изготовленный из сплава “копель” (Сu – 56%, Ni – 44%). В этой паре хромель имеет положительный потенциал, копель – отрицательный. Максимальная термоЭ.Д.С. у этой термопары»49 мВ. Она используется в диапазоне температур 220-870 К.

Также широко используют термопару ТХА, состоящую из двух проволочных проводников хромель – алюмель. Алюмель – сплав, содержащий Ni – 94%, Al – 2%, Mn – 2,5%, Si – 1% и примеси – 0,5%. В этой паре алюмель имеет отрицательный потенциал. Максимальная термоЭ.Д.С. у этой термопары»41 мВ. Она используется в диапазоне температур 220-1270 К.

В научных лабораториях используют также термопару ТМК, включающую пару проводников медь – константан. Константан содержит Cu – 60% и Ni – 40% и по своему составу близок к составу копели. Максимальная термоЭ.Д.С. у этой термопары» 21 мВ. Эта пара используется в диапазоне температур 10-670 К.

Константан известен тем, что он обладает высоким значением удельного сопротивления и рекордно малым температурным коэффициентом сопротивления (a_t порядка 1×10^{-5 o}C^-1, причем, в зависимости от образца, a_t может меняться от плюс 1×10^{-5 o}C^-1 до минус 4×10^{-5 o}C^-1). У меди a_t»4 10^{-3 o}C^-1, и он всегда больше нуля.

Наиболее распространенные проводники, находящиеся в контакте при одинаковых температурах, создают следующую разность потенциалов :

Сu — PbSn (обычный припой): (микро Вольт на Кельвин);

Cu — ковар: ; (ковар – материал, который используют для изготовления выводов в полупроводниковом приборе).

Cu — CuO: ; (при скручивании проводников, часть окиси меди CuO снимается и разность потенциалов уменьшается).

.

Контактная разность потенциалов создает дополнительную аддитивную погрешность при измерениях электрических величин, т.к. она является источником неконтролируемых ЭДС.

Выводы. Для уменьшения влияния контактной разности потенциалов и термотока следует:

- изготавливать проводники из одинаковых материалов;

- использовать комбинацию проводников с малой контактной разностью потенциалов;

- устранять большие градиенты температуры;

- устранять механические напряжения в проводниках.