8.4.5. Эффект Пельтье

П ельтье 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.8.14).

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:

, (8.40)

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.

8.4.6. Явление Зеебека

Зеебек в 1824 г. экспериментально обнаружил появление тока в цепи разнородных металлов за счет разности температур спаев. Было получено

. (8.41)

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. 8.15).

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.

В торой 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. 8.16):

и

. (8.42)

За счет различия абсолютных значений и появляется контактная составляющая термоЭДС:

. (8.43)

Обе составляющие термоЭДС в первом приближении находятся в линейной зависимости от разности температур . Этим объясняется линейная зависимость термоЭДС от разности температур спаев.

Если цепь составлена из ряда различных металлических проводников, включенных последовательно (рис. 8.17), то термоЭДС определяется только крайними проводниками.

Я вление Зеебека применяется для измерения температур по величине термоЭДС. При разработке микросхем, электронной аппаратуры необходимо учитывать возможность возникновения термоЭДС, влияющих на работу схем, осуществлять термостатирование.