16. ТермоЭдс. Явления Пельтье. Термоэлектронная эмиссия.

ТЕРМОЭДС - электродвижущая сила U, возникающая в электрич. цепи, состоящей из неск. разнородных проводников, контакты между к-рыми имеют разл. темп-ры . Если электрич. цепь состоит из двух разл. проводников, она наз. термоэлементом или термопарой .Величина T. зависит только от темп-р горячего T₁ и холодного T₂контактов и от материалов проводников. В небольшом интервале темп-р (0-100 ^oC) U=a(T₁-T₂). Коэф. а, называемый коэф. Зеебека или термоэлектрич. способностью пары, термосилой, коэф. Т., удельной Т., зависит от материала проводников и интервала темп-р .

Явление Пельтье (французский ~физик) 1834г.: (обратное к явлению Зеебека), при прохождении тока через контакт двух разнородных металлов в зависимости от его напряжения кроме джоулева тепла (нагревания проводников) выделяется (при одном направлении тока) или поглощается (при другом направлении тока) дополнительная теплота. Q_Дж~I², Q_{Пельтье} ~I; Q_{Пельтье} > 0 при I® и Q_л< 0 при I¬.

Объяснение явления Пельтье:

Электроны по разную сторону спая обладают различной средней энергией. Если электроны, движущиеся по часовой стрелке, пройдут спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетке и спай В будет нагреваться. В спае А электроны переходят в область с большей энергией, забирают часть энергии у кристаллической решетки для выравнивания своей температуры с температурой кристаллической решетки. Таким образом спай А будет охлаждаться.

Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках.

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) 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, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых:  , где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

17. Основы зонной теории твёрдых тел. Принцип Паули. Энергия Ферми.

Основы зонной теории твердого тела.

На основании квантовой теории эл-н обладает как световыми частицы, так и свойствами волны. Для электрона вводились волновой вектор, энерг. уровень. Для атома водорода было решено ур-е Шредингера, в рез. чего получено, что энерг. уровень эл-на дискретный. Для эл-на введены 4 кв. числа. Для нас наиболее важным является спиновое

Принцип запрета Паули: на одном энергетическом уровне не могут находиться 2 эл-на с одинаковым набором КЧ. Чаще атомы являются связанными в молекулы. За счёт перекрытия эл-ных оболочек атомов происходит расщепление энерг. уровней. На одном уровне  , на втором -  . Объединиться в молекулу водорода атомам водорода энергетически выгодно.

Учет  взаимодействия электронов между собой и ядрами приводит к более сложным уравнениям Шредингера. При рассмотрении кристаллической решётки каждый энергетический уровень расщепляется на n подуровней, где n - количество атомов в кристаллической решётке.

Пусть есть N атомов. На каждом энергетическом уровне находится 2 электрона с разными спинами. В процессе эл-проводимости не принимают электроны, находящихся на низких энергетических уровнях, а только валентные, в обычном атоме выше запретной зоны находится еще одна доступная зона - зона проводимости.

Если - то матер-л диэлектрик, если   - полупроводник

Принцип Паули Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами: 1. Главное квантовое число n (n = 1, 2 ...). 2. Орбитальное (азимутальное) квантовое число l (l = 0, 1, 2, ... n-1). 3. Магнитное квантовое число m (m = 0, +/-1, +/-2, +/-... +/-l). 4. Спиновое квантовое число ms (ms = +/-1/2 ). Для одного фиксированного значения главного квантового числа n существует 2n2 различных квантовых состояний электрона. Один из законов квантовой механики, называемый принципом Паули, утверждает: В одном и том же атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковым набором квантовых чисел, (т.е. не может быть двух электронов в одинаковом состоянии). Принцип Паули дает объяснение периодической повторяемости свойств атома, т.е. периодической системе элементов Менделеева.

Энергия Ферми В физике, энергия Ферми системы невзаимодействующих фермионов - это увеличение энергии основного состояния системы при добавлении одной частицы. Это эквивалентно химическому потенциалу системы в ее основном состоянии при абсолютном нуле температур. Это может также интерпретироваться как максимальная энергия фермиона в основном состоянии. Энергия Ферми - одно из центральных понятий физики твёрдого тела. Согласно квантовой механике, фермионы - частицы с полуцелым спином, обычно 1/2, такие как электроны - подчиняются принципу запрета Паули. Состояния с энергией Ферми расположены на поверхности в пространстве импульсов, известной как поверхность Ферми. Для свободного электронного газа, поверхность Ферми — поверхность сферы; для периодических систем, она вообще имеет искаженную форму. Объем заключённый под поверхностью Ферми определяет число электронов в системе. Энергия Ферми свободного ферми-газа связана с химическим потенциалом уравнением где εF — энергия Ферми, k — постоянная Больцмана, и T — температура. Следовательно, химический потенциал приблизительно равен энергии Ферми при температурах намного меньше характерной температуры Ферми EF/k.