接觸電勢(shì)即接觸電勢(shì)差,也叫接觸電壓,是指人站在發(fā)生接地短路故障設(shè)備旁邊,距設(shè)備水平距離0。8米,這時(shí)人手觸及設(shè)備外殼(距地面1。8米的高處),手與腳兩點(diǎn)之間呈現(xiàn)的電位差,叫做接觸電壓。
由于兩塊金屬的費(fèi)米能級(jí)不一樣高,由于費(fèi)米能級(jí)代表著電子的化學(xué)勢(shì),當(dāng)兩塊金屬接觸可以交換電子時(shí),就會(huì)發(fā)生從化學(xué)勢(shì)高到化學(xué)勢(shì)低的電子流動(dòng),從而產(chǎn)生接觸電勢(shì)。兩個(gè)導(dǎo)體依靠產(chǎn)生接觸電勢(shì)差補(bǔ)償原來它們之間費(fèi)米能級(jí)的差別,從而使電子達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡。
從(固體)物理的角度來考慮,熱平衡中有一個(gè)很重要的性質(zhì)就是系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)勢(shì)達(dá)到平衡。一般來說金屬的“費(fèi)米溫度”(即僅通過熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到費(fèi)米能所需要的溫度)在10^5K量級(jí),常溫下費(fèi)米能與系統(tǒng)化學(xué)勢(shì)幾乎等效。由于在“自由電子氣”模型中銅和鋁的費(fèi)米能不一樣,導(dǎo)致在接觸面的化學(xué)勢(shì)不一樣,這樣就導(dǎo)致在接觸面存在化學(xué)勢(shì)差。這種化學(xué)勢(shì)差導(dǎo)致了電子的偏移,電子的偏移產(chǎn)生的電位差“拉平了”化學(xué)勢(shì)差。同樣的,對(duì)于半導(dǎo)體和半金屬,費(fèi)米能級(jí)處于禁帶的正中央,半導(dǎo)體與半金屬、金屬相互接觸也會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電位差。常見的例子就是pn結(jié)。
電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)表征電源特征的物理量。定義電源的電動(dòng)勢(shì)是電源將其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng),在數(shù)值上,等于非靜電力將單位正電荷從電源的負(fù)極通過電源內(nèi)部移送到正極時(shí)所做的功。它是能夠克服導(dǎo)體電阻對(duì)電流的阻力,使電荷在閉合的導(dǎo)體回路中流動(dòng)的一種作用。常用符號(hào)E(有時(shí)也可用ε)表示,單位是伏(V)。
在電場(chǎng)中,某點(diǎn)電荷的電勢(shì)能跟它所帶的電荷量之比,叫做這點(diǎn)的電勢(shì)(也可稱電位)。電勢(shì)是從能量角度上描述電場(chǎng)的物理量。
由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同,當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí),在接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。電子的擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。
設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為Na和Nb,且有Na Nb,電子擴(kuò)散的結(jié)果合導(dǎo)體A失去電子而帶正電,導(dǎo)體B則因獲得電子而帶負(fù)電,在接觸面形成電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子繼續(xù)擴(kuò)散,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差,即接觸電動(dòng)勢(shì)
金屬接觸電勢(shì)差完全由兩金屬的脫出功決定,不存在由脫出功以外的電子密度不同這一因素而造成的所謂內(nèi)接觸電勢(shì)差。
變電站的接觸電勢(shì)很難滿足允許值的要求,嚴(yán)重威脅工作人員的生命安全。如何有效地將跨步電勢(shì)及接觸電勢(shì)控制在允許范圍內(nèi)成為目前變電站變電站接地裝置設(shè)計(jì)急需解決的問題。
降低接觸電勢(shì)方法如下:
設(shè)置主接地網(wǎng)啊,然后把所有設(shè)備的外殼都接地,變壓器外殼必須有兩點(diǎn)接地,避雷器和避雷針可以采用獨(dú)立接地,但必須和主網(wǎng)連接,并可拆,這是降低接觸電位差與跨步電位差的標(biāo)準(zhǔn)做法。
現(xiàn)在的新設(shè)備,消弧線圈和接地變也能一定程度上降低電位差與跨步電位差。在變電站發(fā)生大容量短路的時(shí)候,會(huì)在設(shè)備外殼和地面之間形成接觸電位差,在地表形成跨步電位差。主接地網(wǎng)的設(shè)置,主要目的就是減少這兩個(gè)電位差,這個(gè)計(jì)算是非常復(fù)雜的,那個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的公式看一遍就要半分鐘。
單一導(dǎo)體兩端由于溫度不同而在其兩端產(chǎn)生的電勢(shì)為溫差電勢(shì),又稱湯姆遜電勢(shì)。這是因?yàn)楦邷囟俗杂呻娮拥膭?dòng)能大于低溫端自由電子的動(dòng)能,高溫端自由電子擴(kuò)散速率高于低溫端自由電子的擴(kuò)散速率,從而在導(dǎo)體兩端形成電位差。
當(dāng)同一根導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí),在導(dǎo)體內(nèi)部?jī)啥说淖杂呻娮酉嗷U(kuò)散的速率不同,高溫端的電子數(shù)跑到低溫端的電子數(shù)比低溫端跑到高溫端的電子數(shù)要多,結(jié)果使高溫端因失去電子而帶正電荷,低溫端因得到電子而帶負(fù)電荷,這樣在高、低溫端之間形成一個(gè)由高溫端指向低溫端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散,最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),此時(shí)在導(dǎo)體上產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差,稱該電位差為溫差電勢(shì)。此電勢(shì)只與導(dǎo)體性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的溫度有關(guān),而與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、截面大小、沿導(dǎo)體長(zhǎng)度上的溫度分布無關(guān)。
兩種不同的金屬接觸,如果兩個(gè)觸點(diǎn)間有一定溫度差時(shí),則產(chǎn)生溫差電勢(shì)。根據(jù)溫差電勢(shì)現(xiàn)象,選用溫差電勢(shì)大的金屬,可以組成熱電偶用來測(cè)量溫度和高頻電流。
此外,溫度升高,會(huì)使金屬電阻增大;合金元素和雜質(zhì)也會(huì)使金屬電阻增大;機(jī)械加工也會(huì)使電阻增大;電流頻率升高,金屬產(chǎn)生趨膚效應(yīng),導(dǎo)體的交流電阻也增大。