Эффект Зеебека

Физические явления, обусловленные взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках, называют термоэлектрическими явлениями. К ним относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Возникновение термоэлектрической ЭДС (ТЭДС) в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников или полупроводников, называется эффектом Зеебека. Пара разнородных, материалов, используемых для получения ТЭДС, назывется термопарой. ТЭДС (а вместе с ней и вызываемый ею электрический ток) обращается в нуль вместе с разностью температур спаев:

, (35.13)

где и – температуры горячего и холодного спаев, – коэффициент ТЭДС, зависящий от материалов термопары и от температуры. Эффект Зеебека наблюдается как для пар металлов, так и для полупроводников. Так для термопары сурьма – свинец . Термопара представляет собой прибор, непосредственно преобразующий тепловую энергию в электрическую. Мощные металлические термопары с успехом заменили бы тепловые электростанции, если бы не их низкий КПД (не более 0,5%). Значительно бóльшим КПД обладают полупроводниковые термопары. У них значительно больший коэффициент ТЭДС и меньше теплопроводность, что уменьшает тепловые потери – передачу тепла вдоль термопары от одного спая к другому, охлаждение нагреваемой части термопары внешней атмосферой. Полупроводниковые термоэлектрогенераторы используются для прямого преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую на космических аппаратах.

С повышением температуры уровень Фéрми у полупроводников как , так и типа смещается к середине запрещенной зоны. В результате зонная диаграмма искривляется, как это показано на рис. 35.38. ТЕДС равняется разности потенциалов точек и :

. (35.14)

Потенциальная энергия электрона, прошедшего по замкнутой цепи между точками и , уменьшается на величину , а кинетическая энергия его направленного движения, т. е. энергия электрического тока, возрастает на ту же величину.

С помощью термопары можно измерять температуру спая (или, точнее, разность температур между двумя спаями). Включенный в цепь гальванометр измеряет силу тока , где – полное сопротивление цепи. Отсюда определяется , а по ТЭДС – разность температур. Гальванометр можно, для данной термопары, проградуировать так, чтобы он показывал сразу разность температур. Если соединить несколько ( ) термопар последовательно в так называемый термостолбик (рис. 35.39) и нагревать спаи, выведенные в одну сторону, точность измерений повышается в раз. Термостолбиком, подключенным к точному гальванометру, можно обнаружить горящую свечу на расстоянии порядка километра или измерить интенсивность света звезды.

35.19. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье состоит в том, что при пропускании тока по цепи, составленной из нескольких проводников, в дополнение к джоулевому теплу , в одном из спаев выделяется, а в другом поглощается некоторое количество тепла

, (35.15)

где – сила тока, – время его пропускания, – коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих веществ и от температуры. При изменении направления тока меняется знак .

Коэффициент Пельтье имеет наибольшее значение в случае контакта двух полупроводников с различным типом проводимости. На рис. 35.40 на левом переходе электроны и дырки, поддерживая ток в указанном на рисунке направлении (слева направо), движутся навстречу друг другу. Встретившись, они рекомбинируют, т. е. электрон из зоны проводимости занимает вакансию в валентной зоне. При этом энергия электрона уменьшается на величину ширины запрещенной зоны . Выделившаяся энергия поглощается атомами решетки, что приводит к повышению температуры спая. На правом переходе электроны и дырки отсасываются внешним электрическим полем от границы раздела и области. Термодинамическое равновесие в распределении электронов по энергиям нарушается и поэтому здесь чаще происходят процессы рождения пар электрон – дырка, чем их рекомбинация. Энергия, необходимая для рождения пары, т. е. для перебрасывания электрона из валентной зоны в зону проводимости, берется у кристаллической решетки. В результате температура правого спая понижается.

Эффект Пельтье используется в микрохолодильниках, предназначенных для охлаждения микросхем компьютеров, стабилизаторах температуры кварцевых генераторов и др. Для охлаждения деталей, находящихся в замкнутом объеме, (см. рис. 35.41) выбирается такое направление тока, при котором температура спаев, находящихся в этом объеме, понижается.