88. Циклотронный резонанс

89-92. Работа выхода. Термоэл явления. Эмиссия

5.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.

Термоэлектронная эмиссия.

Как известно, в металлах имеются электроны проводимости, участвующие в тепловом движении. Выйти из металла этим электронам мешает сущест­вующее в поверхностном слое металла электрическое поле, образовавшееся за счет вылета других электронов, а также взаимодействие в процессе вылета с наведенным на ближай­шем к месту вылета конце металла электрическим зарядом про­тивоположного знака. Из-за этих причин вылетающий электрон должен обладать для вылета некоторой минимальной энергией, которую называют работой выхода и обозначают буквой А. Работа выхода – индивидуальная характеристика металла. Электрону можно сообщить разными способами дополнитель­ную энергию, в результате чего он сможет покинуть металл. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении температуры этого тела, то говорят о тер­моэлектронной эмиссии. Классическая электронная теория дает для плотности тока термоэлектронной эмиссии выражение

,

а квантовая теория металлов приводит к выражению

.

Здесь С и D – константы, k – постоянная Больцмана, а Т – абсо­лютная температура металла.

Явление термоэлектронной эмиссии широко используется для создания вакуумных (диод, триод, тетрод, пентод и др.) и газонаполненных (газотрон, титратрон) электронных ламп.

При сообщении электрону необходимой для выхода из ме­талла энергии с помощью света наблюдают внешний фотоэф­фект. Если энергия сообщается электронам при бомбардировке извне какими-либо частицами, говорят о вторичной эмиссии. Если электроны вытягиваются из металла сильным электриче­ским полем, происходит автоэлектронная эмиссия.