Работа 6 Изучение эффекта Пельтье. Теоретическое введение.

§ 1. Эффект Пельтье.

1. При прохождении тока в цепи, состоящей из различных проводников, в местах контакта в дополнение к теплоте Джоуля-Ленца выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество тепла (теплота Пельтье), пропорциональное прошедшему через контакт электрическому заряду. Это явление было обнаружено в 1834 г. Ж. Пельтье.

Основная закономерность эффекта записывается: (1.1)

-где П₁₂ – коэффициент Пельтье, зависящий от выбора пары проводников.

2. У. Томсоном, создавшим термодинамическую теорию термодинамических явлений было доказано, что: (1.2)

§ 2. Механизмы явления Пельтье.

1. При объяснении эффекта Пельтье необходимо учитывать поток энергии (2.3), связанный с движением электронов.

При переходе через границу двух проводников будет выделяется или поглощается энергия (2.4)

В выражениях (2.3) и (2.4): _к^* – средняя кинетическая энергия электронов, участвующих в электрическом токе. Величина_к^* не равна средней кинетической энергииравновесного состояния электронного газа, т.к. не все электроны в равной мере участвуют в электрическом токе. Так, например, в проводимости металла участвуют лишь электроны, размещающиеся вблизи уровня Ферми.

Величина (₁-₂) в уравнении (2.4) равна внутренней контактной разности потенциалов, между контактирующими веществами.

3. Н

   Рис. 2.1

   а контакте двух металлов приТ=0, квантовые состояния ниже уровня Ферми заняты и в токе могут участвовать электроны на уровне Ферми. Поэтому_к2^*=₂;_к1^*=_к^*. Вместе с тем:е(₁-₂)=₁-₂.

Поэтому формула (2.4) дает:

При нагревании , когда Т0оба слагаемых в квадратной скобке уже не компенсируют друг друга и коэффициент Пельтье будет отличен от нуля. В переносе тока будут участвовать электроны, в узкой полосе размытия2kT вблизи уровня Ферми. Средняя энергия^* таких электронов в металле 1 (рис.2.1)_к1^*будет больше, чем_к2^*в металле 2. При движении электронов из металла 1 в металл 2 будет выделяться избыток энергии в виде тепла Пельтье. При обратном движении электронов тепло Пельтье будет поглощаться.

3. Эффект Пельтье на контакте металла и полупроводникаn-типа качественно можно объяснить на основе зонной схемы (рис. 2.2). Из рисунка видно, что каждый электрон при переходе из полупроводникаn-типа в металл переносит избыточную энергиюЕ=_n+_n.

Э

Рис. 2.2

та энергия выделяется в форме теплоты вблизи контакта. При противоположном направлении тока электроны, переходя в полупроводник, поглощают энергию, охлаждая контакт.

4. Н

   Рис. 2.3

   а контакте полупроводниковp иnтипа возникает запорный слой (ЗС) в областиp-nперехода (рис. 2.3а). При пропускании тока в прямом направлении (отpкn) дырки и электроны, двигаясь навстречу навстречу рекомбинируют, выделяя при этом энергию. (рис. 2.3.б). При обратном направлении тока отnкp(рис. 2.3.в) запорный слой возрастает по ширине и обедняется основными носителями. Рождение пар электрон-дырка в области запорного слоя происходит за счет энергии кристаллической решетки, что обуславливает поглощение энергии.