Термоэмисия, термо-эдс, эффект пельтье.
К термоэлектрическим явлениям относят явления, происходящие в области перехода между частями твердого тела с различными электрическими свойствами при наличии градиента температуры либо протекании электрического тока.
Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми телами. В обычных условиях концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока ( 10 28 электронов/м3) поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (энергиям) некоторые электроны обладают энергией достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным. Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме (электронные, магнитные, рентгеновские трубки и т.д.).
Для объяснения природы термоэлектрических явлений (термоЭДС (эффект Зеебека) и эффекта Пельтье) рассмотрим процессы, происходящие в области контакта 2-х различных металлов (например, соединение сваркой).
Между двумя проводниками, W приведенными в соприкосновение, происходит обмен электронами.
ОтноI II сительные положения энергетических спектров 2-х изолированных металлов A1 A2 WF до них соединения изображены на рис.1 (А1 работа выхода для I металла, А2 WF работа выхода для II металла, а n1 и n2 n1 2 концентрации свободных электронов n2 соответственно). Из рисунка, видно, что работа выхода A уменьшается с увелиРис.1 чением значения энергии уровня Ферми. Энергия Ферми зависит от концентрации электронов в зоне проводимости – чем больше концентрация, тем больше уровень (энергия) Ферми.
Изменение концентрации электронов от n1 до n2 (рис.2) происходит в некоторой области d n вблизи границы между металлами, которая и называется переходом.
n1 При образовании перех
– – –
В 1834 году француз Ж. Пельтье обнаружил, что при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников на контакте в дополнение к джоулевой теплоте выделяется или поглощается теплота (в зависимости от направления тока). Это явление получило название эффекта Пельтье и является обратным эффекту Зеебека.
Экспериментально найдено, что при пропускании тока через спай двух разнородных металлов, полупроводников или полупроводника и металла в нем выделяется или поглощается тепло, пропорциональное прошедшему через спай количеству электричества (заряду q = It) Qп = П q = П It, где П коэффициент пропорциональности Пельтье, зависящий от природы материалов; t – время.
Это тепло выделяется в дополнение к теплу Джоуля-Ленца. Между явлением Пельтье и выделением джоулева тепла имеется существенное различие. Тепло Джоуля-Ленца пропорционально второй степени силы тока и не зависит от его направления; тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и знак его зависит от направления. Как видно из формулы, тепло Пельтье, кроме того, не зависит от сопротивления проводника.
Если в замкнутую цепь содержащую два спая двух разнородных металлов (рис.5), которые находятся при v одинаковой температуре T1 = T2, включить источник стоjTронних ЭДС стор, то возникший в цепи электрический стор j ток уносит из перехода с температурой T1 энергию в форме тепла и охлаждает этот спай (электроны получают v 2 энергию от поля кристаллической решетки, тормозятся полем термо-ЭДС).
T2 Эффект Пельтье используется в охлаждающих сиРис. 5 стемах (термоэлектрических полупроводниковых холодильниках и термостатах), а также в некоторых электронных приборах.
Аналогично теплоте Пельтье происходит дополнительное выделение (поглощение) теплоты при прохождении тока по неоднородно нагретому проводнику. Это явление получило название явления Томсона (1856).
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Свободные электроны в металле (электроны проводимости) не могут самопроизвольно в большом количестве покинуть металл. На поверхности любого твердого тела существует энергетический барьер, который и затрудняет процесс испускания электронов из твердого тела. Покинуть металл могут только те электроны, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Этот барьер имеет следующее происхождение.
Часть электронов, обладая большой кинетической энергией, способна покинуть твердое тело. Это приводит к тому, что в этом месте, которое покинул электрон, возникает избыточный положительный заряд. Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон возвращаться обратно.
Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляясь от нее на несколько межатомных расстояний, и затем поворачивают обратно. В результате над поверхностью твердого тела существует электронное облако, которое совместно с положительными ионами кристаллической решетки на самой поверхности образуют двойной электрический слой. На электрон, вышедший из этого слоя, действуют силы со стороны положительно заряженной поверхности, которые направлены внутрь металла.
Работа, совершаемая против этих сил при переводе W электрона из металла наружу, идет на увеличение потенциальной энергии электрона U0. Таким образом, потенциальная энергия электронов в металле меньше, чем вне меU 0 талла, на величину, равную глубине потенциальной ямы (рис. 1).
Потенциальная энергия электрона U0 = eU и потенциал той точки, в которой находится электрон, имеют Рис.1 противоположные знаки. Отсюда следует, что потенциал внутри металла больше, чем потенциал в непосредственной близости от его поверхности. Таким образом, даже самый высокоэнергетический электрон в потенциальной яме обладает гораздо меньшей полной энергией, чем электрон снаружи металла. Сообщение металлу избыточного положительного заряда увеличивает потенциал, как на поверхности, так и внутри металла. Потенциальная энергия электрона при этом соответственно уменьшается (рис.2,а).
– – –
Сообщение металлу отрицательного заряда понижает потенциал внутри и вне металла, соответственно потенциальная энергия электрона возрастает (рис.2,б).
Полная энергия электрона в металле слагается из потенциальной и кинетической энергий. Значения кинетической энергии электронов проводимости заключены в пределах от нуля до энергии Ферми WF, т.е. максимальной энергии электрона в потенциальной яме при абсолютном нуле.
На рис.3 энергетические уровни зоны проводимости вписаны в потенциальную яму (сплошными линиями изображены занятые электронами уровни, пунктирными – не занятые электронами уровни при Т = 0 К).
– – –
e т.е. разностью уровней Ферми этих металлов.