3.2.Эффект Пельтье

В1834 году, по прошествии 13 лет после опыта Т. Зеебека, швейцарский физик-любитель часовщик Ж. Пельтье обнаружил, что в электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при пропускании через нее постоянного электрического тока возникает разность температур. Один из спаев цепи нагревался, и это не вызывало удивления – в то время эффект Джоуля был хорошо известен. Другой спай охлаждался, что производило шокирующее впечатление. Более того, изменение направления тока меняло тепловое состояние спаев, т.е. эффект оказался обратимым.

В1838 году в Петербургском Университете академик Э.Х. Ленц впервые заморозил каплю воды на стыке двух металлов Bi

иSb.

Эффект Пельт ье заключается в том, что при пропускании электрического тока I через спай двух различных проводящих материалов на контакте, помимо джоулева тепла, происходит выделение дополнительного тепла Пельтье QP при одном направлении тока и его поглощение при обратном направлении. На величину выделяемого на спае тепла QP и его знак влияют вид контактирующих веществ, сила тока, время его прохождения:

связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье П1 и П2 контактирующих материалов. В такой записи считается, что ток идет от первого материала ко второму. При выделении тепла

Вместо тепла Пельтье часто используют величину, определяемую как тепловая энергия, ежесекундно выделяющаяся на

94

контакте единичной площади, и называющуюся мощност ь т епловыделения (qP ), которая определяется зависимостью:

где j=I/S – плотность тока, S – площадь контакта.

На рис. 3.7 изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами Аи В. Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви - термоэлектродами. Ток в цепи I создается внешним источником ε.

На рис. 3.7, а представлена ситуация, когда на контакте А ток течет от ПП1 к ПП2, что сопровождается выделением тепла Пельтье QP(А)>0; на контакте В ток течет от ПП2 к ПП1, и данный процесс сопровождается поглощением тепла – QP(В)<0. Соответственно, в результате происходит изменение температур спаев: ТА>ТВ.

Рис. 3.7. Выделение и поглощение тепла Пельтье в зоне контакта полупроводниковых материалов: а – выделение тепла Пельтье (контакт А), б – поглощение тепла Пельтье (контакт А)

95

При смене направления тока на противоположное (рис. 3.7, б), меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурой контактов: QP(А)<0, QP(В)>0, ТА<ТВ.

В случае контакта полупроводников с одинаковым видом носит елей т ока (а также двух проводников или полупроводника с проводником) причина возникновения эффекта Пельтье на контакте заключается в следующем. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различные энергетические спектры, концентрацию, подвижность носителей заряда, т.е. различную среднюю энергию. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они отдают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье (QP>0) и температура контакта повышается. На другом спае носители, переходя в область с большей энергией, получают недостающую энергию от решетки, что приводит к понижению температуры (QP<0).

Эффект Пельтье наиболее сильно выражен в цепях, составленных из полупроводников с различным видом носителей: электронных (n-тип) и дырочных (р-тип). В этом случае эффект Пельтье объясняется иначе. На рис. 3.8 изображены энергетические зоны (εc − зона проводимости, εv – валентная зона) находящихся в контакте примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью. Пусть ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному (р → n). При этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия в виде тепла.

96