Термоэлектрические явления
Различают три термоэлектрических явления: явление Зеебека, явление Пельтье и явление Томсона. В 1821 г. Зеебек обнаружил, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких металлов, контакты которых поддерживаются при различных температурах, течет ток. Причины возникновения этого тока, называемого термотоком и термоэдс следующие. На контактах тел возникают внутренние контактные разности потенциалов, вызванные различием концентраций носителей. Эти разности потенциалов направлены навстречу друг другу и из-за этого скомпенсированы до тех пор, пока температуры контактов одинаковы. Как только возникает различие температур контактов, компенсация нарушается и в цепи возникает термоток. Одной этой причины было бы уже достаточно для возникновения эффекта, но есть еще одна. При создании градиента температур вдоль однородного проводника из-за диффузии носителей у охлажденного конца концентрация носителей повышается, что приводит к дополнительному изменению термотока. Если первая причина является основной в эффекте Зеебека в цепи; состоящей из металлов, то вторая – в цепи, состоящей, из полупроводников.
Количественной характеристикой эффекта Зеебека является величина называемая дифференциальной термоэдс, или коэффициентом Зеебека. - это эдс, возникающая в замкнутой цепи, состоящей из двух металлов, при разности температур между контактами в 1К. Обычно в цепи, состоящей из металлов, достигает несколько десятков микровольт на Кельвин, в цепи из полупроводников на 2-3 порядка выше. Явление Зеебека используется для измерения температур и непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.
Явление Пельтье является обратным явлению Зеебека. Оно открыто им в 1834 г. и заключается в том, что при протекании тока через контакт двух металлов или полупроводников в нем выделяется или поглощается тепло, называемое теплом Пельтье. Это тепло прямо пропорционально заряду, протекшему через, контакт. Причина возникновения эффекта проста. При приведении металлов или полупроводников в контакт на их границе возникает уже упоминавшаяся внутренняя контактная разность потенциалов. Это приводит к тому, что потенциальная энергия носителей по обе стороны контакта оказывается различной. В процессе протекания тока носители переносятся через контакт, если их потенциальная энергия при этом уменьшается, то увеличивается кинетическая. В процессе соударений с ионами решетки носители отдают избыток кинетической энергии решетке – тепло Пельтье. выделяется. Если при переходе через контакт потенциальная энергия носителей увеличивается, то кинетическая энергия уменьшается. Носители» сталкиваясь с ионами, пополняют свою кинетическую энергию до средней, забирая энергию у решетки - тепло Пельтье поглощается. Явление Пельтье используется для создания микрохолодильников. Имеются проекты использования эффекта для обогрева помещения, при этом часть тепла, идущего на нагрев, черпается из внешней среды.
Явление Томсона предсказано им в 1856 г. и впоследствии было обнаружено экспериментально. Речь в эффекте идет, как и в эффекте Пельтье, о выделении или поглощении тепла, но при; протекании тока через однородный проводник. Неоднородность в нем возникает за счет создания вдоль направления протекания тока градиента температуры.
Явление Томсона объясняется по аналогии с явлением Пельтье. Пусть ток течет в направлении возрастания температуры. Если носители - электроны, они движутся из мест с более высокой температурой и большей кинетической энергией в области с более низкой температурой. Избыток энергии электроны в процессе столкновений отдают решетке. Для дырок эффект имеет обратный знак. Практического использования эффекта нет, однако эффект Томсона может использоваться для определения типа примесной проводимости полупроводников.