16.3. Эффект Зеебека

В замкнутой цепи из двух разнородных металлов на границах их контактов возникают контактные разности потенциалов, направленные навстречу друг другу. Если температуры контактов одинаковы, то суммарная разность потенциалов   и тока в цепи не будет. Если же контакты поддерживать при различных температурах (нагревая или охлаждая один из них), то в цепи возникнет отличная от нуля ЭДС (рис. 16.3):

.

Последнее выражение с помощью (16.4) можно преобразовать к виду

или

.

(16.5)

Рис. 16.3

Коэффициент называется термосилой.

Таким образом, эффект Зеебека состоит в возникновении ЭДС вследствие различия температур контактов в замкнутой цепи, состоящей их разнородных металлов. Рассмотрим некоторые из важных применений этого эффекта.

1. Измерение температур. Преимущества этого метода измерения температур состоят в электрическом характере сигнала, позволяющем проводить дистанционные измерения температур; возможности измерения температур в диапазоне 10² – 10³ К; малости габаритных размеров и безинерционности.

2. Использование термопар для генерирования ЭДС, т.е. для превращения тепловой энергии в электрическую. Такие генераторы используют в некоторых автоматических системах и в медицинской технике.

16.4. Эффект Пельтье

Второе термоэлектрическое явление – эффект Пельтье (1834 г.) состоит в том, что при пропускании электрического тока через контакт двух разнородных проводников в нем происходит выделение или поглощение теплоты, добавочной по отношению к джоулевой теплоте. При изменении направления тока нагрев контакта сменяется его охлаждением.

Теплота Пельтье Q_П, выделяемая или поглощаемая на контакте за время t, в отличие от теплоты Джоуля-Ленца, пропорциональна силе тока I в первой степени:

,

(16.6)

где  П – коэффициент Пельтье, зависящий от природы соприкасающихся проводников и температуры контакта.

Рис. 16.4

Рассмотрим механизм эффекта Пельтье. Электроны, пройдя через контакт из разнородных металлов, в зависимости от направления тока будут либо ускоряться контактной разностью потенциалов, либо тормозиться. Если электрон попадает в область с меньшим значением потенциала, он ускоряется, и его кинетическая энергия возрастает. Избыток этой энергии электрон в результате столкновений отдает ионам кристаллической решетки, вследствие чего контакт нагревается (рис. 16.4). И наоборот, если электрон попадает в область с большим потенциалом, его кинетическая энергия уменьшается и контакт охлаждается, поскольку при столкновениях с атомами металла электроны отбирают у них энергию.

Изменение кинетической энергии электрона при переходе через контакт численно равно скачку потенциальной энергии W_p=e_n, где _n – контактная разность потенциалов, обусловленная различной концентрацией электронов (см. формулу (16.3)). Тогда теплоту Пельтье можно найти как произведение  W_к на число электронов (см. §  15.1), прошедших через контакт сечением S за время t:

.

Учитывая, что I=jS, где  – плотность тока (см. (15.3)), получаем

.

(16.7)

Из сопоставления (16.6) и (16.7) видно, что коэффициент Пельтье численно равен контактной разности потенциалов   .

Эффект Пельтье используется для охлаждения в холодильных установках и некоторых электронных приборах

Лекція 26.