Термоэлектрические явления

К термоэлектрическим явлениямотносятся:

1) Эффект Зеебека. Если спаи двух разнородных проводников, образующих замкнутую цепь, поддерживать при различных температурах, то в такой цепи возникает электрический ток.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных проводников 1 и 2 (рис.37). Если спаи «а» и «б» имеют различные температуры, то в цепи возникает электродвижущая силапрямо пропорциональная разности температур спаев:

.

Термопара – термоэлектрический термометр, способный измерять очень высокую температуру. В ее основе лежит эффект Зеебека.

2)Эффект Пельтье. Если взять такое же соединение проводников и пропустить электрический ток, то, помимо выделения джоулевой теплы, в одном спае происходит выделение дополнительной теплоты и он будет нагреваться, а другой спай – охлаждаться (рис 38).

Проводники подобраны так, что при их соединении первый заряжается положительно, а второй – отрицательно. Токв таком случае идет по часовой стрелке, а движение электронов в цепи идет в противоположном направлении. В спае «б» движение электронов ускоряется полем, их кинетическая энергия возрастает, и спай «б» охлаждается. В контакте «а» поле замедляет движение электронов, и они отдают свою энергию спаю «а», в результате он нагревается.

Электрический ток в вакуумном диоде

Термоэлектронная эмиссия– явление испускания электронов нагретыми металлами. Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы –вакуумного диода, представляющего собой баллон с откачанным воздухом, внутри которого находятся катод и анод, расположенные коаксиально (рис.39). Катод накаливается и испускает электроны. Количество испускаемых катодом электронов зависит от температуры (напряжениянити накала). Если подать положительное напряжение на анод, наблюдается направленное движение электронов от катода к аноду. Сила анодного токаравна заряду электронов, достигших анода за 1с. Число электронов, вылетающих из катода за 1с при постоянной температуре – постоянно, а количество электронов, достигших анода, зависит от анодного напряжения. График зависимости силы анодного тока от анодного напряжения называетсявольт-ампернойхарактеристикой вакуумного диода (рис.40). При малых значениях анодного напряжения эта зависимость имеет нелинейный характер и подчиняется закону Богуславского-Ленгмюра. При достижении напряжениясила тока принимает максимальное значениеI_нас, называемоетоком насыщения. Это означает, что при достаточно сильном электрическом поле катод-анод все электроны, вылетевшие из катода за 1с, долетают до анода за 1с.

Электронная эмиссия используется в рентгеновских трубках, электронных микроскопах, электронных лампах.

Собственная и примесная проводимость полупроводников

По электрическим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Различаютсобственные и примесныеполупроводники. Ксобственным полупроводникам относятся чистые элементы (Ge,Si). Рассмотрим кристалл германияGe(рис.41). Каждый атом в кристаллической решетке кристаллаGeсвязан четырьмя двухэлектронными ковалентными связями с соседними атомами. При температуре Т=0 К диэлектрик не имеет свободных зарядов. При повышении температуры тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей, и электроны, покинувшие свое место, становятся свободными. Место, оставленное электроном, обладает избыточным положительным зарядом и называетсядыркой. Под действием внешнего электрического поля наблюдается направленное движение электронов против поля, дырок – по полю. В кристалле появляется электрический ток. Такая проводимость называетсясобственной.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называетсяпримесной. Рассмотрим кристалл германияGeс небольшой добавкой мышьяка (As). Мышьяк – элементYгруппы, имеет пять валентных электронов. При внедрении в решеткуGeчетыре электронаAsобразуют ковалентные связи с атомомGe, а пятый электрон Аsстановится слабо связанным и легко отщепляется при тепловых колебаниях решетки (рис 42). При наличии внешнего электрического поля наблюдается движение электронов, следовательно, появляется электрический ток. Образованный положительный заряд связан с атомом Аsи не способен перемещаться. Такие примеси называютсядонорными, проводимость –электронной, а полупроводник –n-типа.

Если в кристаллGe(рис.43) ввести небольшое количество трехвалентногоAl, то для образования ковалентных связей с германием алюминию не будет хватать одного электрона. Недостающий четвертый электрон может быть захвачен у соседнего атомаGe, у которого образуетсядырка (+). Присоединив один электрон, атомAlстановится отрицательно заряжен. При внесении во внешнее электрическое поле дырки способны перемещаться. Примеси, вызывающие появление дырок, называютсяакцепторными, проводимость –дырочной,полупроводники –р-типа.