3.13.3.Термоэлектрические явления.

Явление Зеебека. Рассмотрим замкнутую цепь, составленную из двух разнородных металлов. Ранее мы показали, что при одинаковой температуре контактов ЭДС в цепи будет равна нулю. Таким образом, хотя в каждом из контактов и возникает ЭДС, эти ЭДС равны по величине и противоположны по знаку и поэтому полная ЭДС цепи равна нулю.

Не то будет, если температура контактов не одинакова. Так как внутренняя разность потенциалов зависит от температуры, то теперь их сумма не будет равна нулю. Поэтому не будет равна нулю и полная ЭДС цепи, и в цепи появляется электрический ток. Это явление получило название термоэлектричества или явления Зеебека.

В простейшем случае, когда цепь состоит из двух различных проводников, она называется термоэлементом или термопарой.

Термопара состоит из двух различных металлов . Одни концы металлов сварены между собой (точка 1), а другие концы (точка 2) присоединены к цепи или другому измерительному прибору. Сваренные концы помещают в среду с температурой , которую надо измерить, а свободные концы должны находиться при одинаковой температуре , но всегда . Применяя к термопаре равенство 13.2, получим:

, 13.5

где - называется удельной термоЭДС, зависит от материала проводников и разности температур. В интервале температур для большинства термопар и имеет порядок величины . Удельная термо ЭДС является основной характеристикой термопары в заданном интервале температур.

Явление Зеебека широко используется при измерении температуры в широком диапазоне и преобразовании внутренней энергии в электрическую.

Явление Пельтье. Если в цепи, состоящей из двух разнородных проводников пропускать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из контактов будет нагреваться, другой охлаждаться. Это явление получило название явления Пельтье. В отличие от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.

Если пропускать ток в направлении термотока (при условии ), то согласно опыту Пельтье спай 1, который при явлении Зеебека находился при более высокой температуре, будет теперь охлаждаться, а спай 2 – нагреваться. При изменении направления тока – наоборот.

Объяснить явление Пельтье можно следующим образом. Благодаря контактным разностям потенциала в спаях 1 и 2 создаются электрические поля. Направление движения электронов при заданном направлении тока в цепи в спае 1 совпадает с напряженностью поля, а в спае 2 – противоположно полю. Следовательно, в спае 1 электрическое поле тормозит электроны, а в спае 2 – ускоряет. В результате этого в спае 1 электроны отбирают энергию у ионов, а в спае 2 – отдают энергию ионам.

Это явление широко применяется в холодильниках.

Тема 14.3. Элементы зонной теории твердых тел

3. Дискретность энергетических уровней в атоме.

Согласно квантовой механике электрон в атоме может иметь не произвольные, а строго определенные значения энергии, т.е. энергия электрона в атоме квантуется. При переходе электрона из одного состояния в другое происходит скачкообразное изменение энергии. Распределение электронов по квантовым состояниям подчиняется принципу запрета Паули, согласно которому в одном квантовом состоянии не может быть двух одинаковых электронов, они должны отличаться какой-либо характеристикой. Следовательно, электроны не могут даже при 0 К, занимать самый низкий уровень энергии.

Электроны в атоме можно рассматривать как идеальный газ. Но если классическая теория считает, что энергия электрона может принимать произвольные значения, то в квантовой механике энергия электрона квантуется. Следовательно, электроны в атоме не подчиняются классическому распределению Максвелла, а их распределение по энергиям подчиняется распределению Ферми – Дирака. Обозначим - химический потенциал электронного газа при . Тогда число электронов в квантовом состоянии с энергией Е будет определяться выражением

. 14.1

Из 14.1 можно получить, что при : если , то и при . Это значит, что при все уровни лежащие ниже заполнены электронами, а все состояния с энергией больше свободны.

Уровень энергии который заполняют электроны при получил название уровня Ферми. Следовательно, работу выхода электрона из металла надо отсчитывать не от дна потенциальной ямы, а от уровня Ферми.

Система частиц называется вырожденной, если ее свойства существенным образом отличаются от свойств системы, подчиняющейся классической статистике. Температура , ниже которой отчетливо проявляются квантовые свойства системы называется температурой вырождения. Температура вырождения находится из условия . Соответствующие расчеты показывают, что для электронов в металле , т.е. для всех температур, при которых металл может существовать в твердом состоянии, электронный газ в металле вырожден.