6.3.2.Эффект Пельтье
Пельтье экспериментально обнаружил изменение температуры контакта двух кристаллических решеток (двух металлов) при пропускании постоянного тока. На общем фоне выделения тепла, согласно закону Джоуля – Ленца, одни спаи дополнительно нагревались, а другие – охлаждались. Рассмотрим это явление с физической точки зрения. Пусть электрическое поле направлено слева направо внутри системы кристаллов 1-2-3 (рис.6.14).
Уровни Ферми
различны в различных кристаллических
решетках. При переходе электрона из
кристаллической решетки с большим
уровнем Ферми в кристаллическую решетку
с меньшим уровнем Ферми происходит
выделение теплоты
,
т.к. электрон отдает излишек энергии
кристаллической решетке. При переходе
в обратном направлении происходит
поглощение теплоты
,
т.к. энергия электронов повышается за
счет энергии колебаний атомов
кристаллической решетки.
Эффект Пельтье обратим: при пропускании тока в обратном направлении нагреваемый и охлаждаемый спаи меняются ролями.
Из сказанного ясно, что количество выделившегося (поглощенного) тепла пропорционально заряду, перешедшему границу раздела:
,
где
– коэффициент Пельтье.
Коэффициент Пельтье ( ) определяется разностью уровней Ферми и достигает максимального значения для зоны контакта p-n - перехода полупроводников.
Эффект Пельтье нашел практическое применение для создания полупроводниковых холодильников, используемых главным образом в приборостроении.
6.3.3. Эффект термопары (Явление Зеебека)
Зеебек в 1824 г. экспериментально обнаружил появление тока в цепи разнородных металлов за счет разности температур спаев. Было получено
.
Однако
в широком интервале температур эта
зависимость оказалась нелинейной. Для
различных термопар коэффициент
пропорциональности
имеет различное значение.
Возникновение термоЭДС, с точки зрения теории Френкеля-Зоммерфельда, обусловлено двумя факторами: перемещением электронов от нагретой части кристалла к охлажденной и перемещением электронов через границу контакта двух металлов (рис. 6.15).
Первый фактор обусловлен наличием градиента концентрации "горячих" электронов. Вследствие чего электроны с горячего конца решетки будут переходить на свободные уровни холодного конца кристаллической решетки. Эту составляющую термоЭДС называют диффузионной.
Второй фактор обусловлен переходом электронов из кристалла с большего уровня Ферми в кристалл с меньшим уровнем Ферми. При этом образуется двойной электрический слой, который препятствует дальнейшему переходу электронов. Возникает скачок потенциала (рис. 6.16):
и
.
За
счет различия абсолютных значений
и
появляется контактная составляющая
термоЭДС:
.
Обе
составляющие термоЭДС в первом приближении
находятся в линейной зависимости от
разности температур
.
Этим объясняется линейная зависимость
термоЭДС от разности температур спаев.
Е
сли
цепь составлена из ряда различных
металлических проводников, включенных
последовательно (рис. 6.17), то термоЭДС
определяется только крайними проводниками.
Явление Зеебека применяется для измерения температур по величине термоЭДС. При разработке микросхем, электронной аппаратуры необходимо учитывать возможность возникновения термоЭДС, влияющих на работу схем, осуществлять термостатирование.
Лекция №9
(Явление электромагнитной индукции. Основной закон электромагнитной индукции.
Правило (закон) Ленца. Явление самоиндукции. Коэффициенты индуктивности и взаимной индуктивности. Явление самоиндукции при замыкании и размыкании электрической цепи. Энергия магнитного поля)
7.Электромагнитная индукция
7.1. Явление электромагнитной индукции.
Основной закон электромагнитной индукции.
Правило (закон) Ленца
В 1831 г. английский
физик М. Фарадей экспериментально
установил, что во всяком замкнутом
проводящем контуре при изменении
магнитного потока через поверхность,
ограниченную контуром, возникает
электрический ток. При этом величина
тока не зависит от способа изменения
магнитного потока и определяется только
скоростью изменения магнитного потока
(рис. 7.1).
Позднее в 1832 г. независимо от М. Фарадея американский ученый Дж. Генри пришел к такому же выводу.
И
звестно,
что в замкнутой цепи возникновение тока
в проводнике возможно лишь при наличии
в нем ЭДС. Следовательно, при всяком
изменении магнитного потока, сцепленного
с замкнутым проводящим контуром, в нем
возникает ЭДС. Но ЭДС, в свою очередь,
является проявлением электрического
поля. Таким образом, при всяком изменении
магнитного потока, сцепленного с
замкнутым проводящим контуром, в контуре
возникает электрическое поле, которое
называют индукционным. Индукционное
электрическое поле отличается от
электрического поля неподвижного
электрического заряда. Так, например,
силовые линии индукционных электрических
полей отличаются от силовых линий
электрических полей неподвижных зарядов
тем, что они всегда замкнуты. Поэтому
индукционное электрическое поле называют
вихревым.
Возникающую в проводниках ЭДС при изменении магнитного потока называют ЭДС электромагнитной индукции i. Ток, возникающий в замкнутых проводниках при изменении магнитного потока, называют индукционным током. Надо отметить, что i возникает в каждом отрезке проводника, даже в том случае, когда проводник не замкнут. Появление ЭДС электромагнитной индукции i в проводниках обнаруживается по возникающей разности потенциалов на концах проводника. ЭДС электромагнитной индукции является распределенной в отличие от ЭДС источника тока, которая является сосредоточенной.
Таким образом, электромагнитная индукция - это возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущимся в постоянном магнитном поле.
Необходимыми условиями возникновения ЭДС электромагнитной индукции в любом из двух (нескольких) взаимодействующих контуров, в одном из которых существует ток, являются (рис. 7.2):
а) изменение величины (силы) тока; изменение положения одного из контуров (рис. 7.2,а);
б) изменение направления тока (рис. 7.2,б);
в) изменение магнитной проницаемости среды в одном из контуров (рис. 7.2,в);
г) поворот контура (без тока) в магнитном поле на некоторый угол (при этом угол отсчитывается между положительной нормалью к контуру и направлением магнитного поля) (рис. 7.2,г).
В системе СИ величина возникшей в элементе проводника ЭДС электромагнитной индукции i определяется по формуле
,
(7.1)
где - скорость изменения магнитного потока.
В
ыражение
(7.1) является математической формой
записи закона Фарадея: «При
пересечении потока магнитной индукции
отрезком проводника в последнем возникает
ЭДС электромагнитной индукции, прямо
пропорциональная скорости изменения
величины магнитного потока.»
Знак «минус» в правой части служит математическим выражением связи между направлением индукционного тока, возникающего в замкнутом проводнике (контуре), и изменением магнитного потока.
Индукционный ток всегда направлен так, чтобы своим действием препятствовать причине, его порождающей, или индукционный ток направлен так, что создаваемое им поле препятствует изменению магнитного потока. Данное утверждение носит название закона Ленца (1834 г.).
Направление индукционного тока в проводнике определяется «правилом правой руки». Иначе говоря, направление возникающего в контуре тока составляет с направлением изменения потока магнитной индукции левовинтовую систему.
Закон электромагнитной индукции (явление электромагнитной индукции) является прямым следствием возникновения индукционных токов в проводниках, движущихся в магнитном поле, что, в свою очередь, обусловлено действием на движущиеся электрические заряды силы Лоренца.
Это связано с тем, что при движении проводника в магнитном поле его свободные электроны (электроны проводимости) под действием силы Лоренца приходят в движение относительно проводника, т.е. в проводнике возникает электрический ток. Это явление называется индукцией токов в движущихся проводниках.
Строго говоря, наличие тока в замкнутом проводнике показывает, что электрическое поле существует лишь внутри проводника. Проводник в данном случае играет роль устройства для обнаружения электрического поля. При отсутствии проводника изменяющееся магнитное поле также порождает электрическое поле. Это доказывает, что электромагнитная индукция является фундаментальным всеобщим законом природы, устанавливающим связь между электрическими и магнитными полями.