8.2. Термоэлектрические явления

В металлах полупроводниках процессы переноса зарядов (электрический ток) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения подвижных носителей тока электронов проводимости и дырок. Эта взаимосвязь обуславливает ряд явлений (Зеебека, Пельтье, и Томсона), которые называют термоэлектрическими явлениями.

Эффект Зеебекасостоит в том, что в замкнутой электрической цепи из разнородных металлов возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживаются при разных температурах. Эта ЭДС зависит только от температуры и от природы материалов, составляющих термоэлемент. Термо-ЭДС для пар металлов может достигать 50 мкВ/градус; в случае полупроводниковых материалов величина термо-ЭДС выше (10 во 2-ой + 10 в 3-ей мкВ/градус).

Эффект Зеебека применяется:

- в электротермическом способе дефектоскопии заключающимся в том, что контролируемую зону нагревают пропуская через нее в течение определенного времени постоянный по величине электрический ток, измеряют при помощи термопары-датчика температуры ее нагрева и судят о наличии дефекта по отклонению этой температуры от температуры нагрева бездефектной зоны сварного соединения, отличающийся тем , что с целью контроля зоны сварного соединения двух разных металлов, например, контактных узлов радиодеталей, в качестве термопары-датчика используют термопару, образованную соединенными металлами.

Для проверки качества сварного шва снимают распределение термоэлектрического потенциала поперек шва. Пики и впадины на кривых распределения говорят о неоднородности шва, а их величина - о степени неоднородности. Быстро и наглядно.

Если в разрыв одной из ветвей термоэлемента включить последовательно любое число проводников любого состава, все спаи (контакты) которых поддерживаются при одной и той же температуре, то термо-ЭДС в такой системе будет равна термо-ЭДС исходного элемента.

Термопара, содержащая защитный чехол, термоэлектроды с электрической изоляцией, рабочие концы которых снабжены токопроводящей перемычкой, образующей измерительный спай, отличающийся тем, что с целью увеличения срока службы термопары в условиях повышенной вибрации и больших скоростей нагрева, измерительный спай термопары выполнен в виде слоя порошкообразного металла, расположенного на дне защитного чехла.

При измерении физического состояния веществ, участвующих в контакте изменяется и величина термо-ЭДС

Это свойство применяется в способе распознавания систем с ограниченной и неограниченной взаимной растворимостью компонентов по температурной зависимости термо-ЭДС, отличающейся тем, что с целью повышения надежности распознавания измеряют термо-ЭДС контакта двух исследуемых образцов.

Между металлом, сжатым всестороннем давлением, и тем же металлом, находящемся при нормальном давлении тоже возникает термо-ЭДС

Например, для железа при температуре 100 °С и давлении 12 кбар, термо-ЭДС равна 12,8 мкВ .При насыщении металла или сплава в магнитном поле относитель тогоже вещества без магнитного поля возникает термо-ЭДС порядка 09мкВ/градус.

Эффект Зеебека –возникновение ЭДС в цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют разную температуру. Открыт в 1821г. Если электрическая цепь состоит из 2-х различных проводников, она называется термоэлементом (термопарой). Величина термо-ЭДС зависит только от температуры горячего Т₁ и холодного Т₂ контактов и от материала проводников.

Термо-ЭДС может возникнуть в цепи, состоящей и из одного материала, если его разные участки подвергать различным технологическим операциям. Она не меняется при последовательном включение в цепь любого количества других материалов, если появляющиеся при этом дополнительные места контактов поддерживаются при одной и той же температуре.

Термо-ЭДС металлов очень мала, сравнительно больше термо-ЭДС в полупроводниках и их сплавах (Pd + Ag). Причина подобных явлений – нарушение силового равновесия в потоке носителей тока.

Использование: в термоэлектрических измерительных приборах (термоэлектрических термометрах), представляющих сочетание термоэлектрического преобразователя с электроизмерительным механизмом. Применяется для измерения I и U при несинусоидальных токах и на повышенных частотах.

Термоэлектрический омметр:

1 - нагреватель; 2 - термопара; 3 - нагрузка;

М - измерительный механизм

Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека. При прохождении тока через спай различных металлов кроме джоулева тепла дополнительно выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество тепловых (спай сурьма-висмут при 20 °С – 10,7 мкал/Кулон). При этом количество теплоты пропорционально первой степени тока.

Несколько примеров применения Эффекта Платье:

- для увеличения отношение сигнал шум ФЭУ предлагается способ охлаждения фотокатодов термоэлектрическими элементами, расположенными внутри вакуумной оболочки ФЭУ;

- холодильник, устройства для отбора газа, в котором отвод конденсата составляет одно целое с холодильником. На внутренней стороне полого конуса закреплены холодные спаи элементов Пельтье и от него ответвляется трубопровод для отбора измерительного газа. Холодильник, отличается тем, что в качестве генератора тока, потребляемыми элементами Пельтье, предусмотрена батарея термоэлементов, горячие спаи которых находятся в канале дымовых газов, а холодные спаи – во внешнем пространстве.

Эффект Пельтье – выделение или поглощение теплоты при прохождение электрического тока I через контакты двух различных проводников. Выделение теплоты сменяется поглощением при изменение направления тока. Открыт французским физиком Ж. Пельтье в 1834 г. Объяснение эффекта: средняя энергия носителей зависит тока от их энергетического спектра, концентрации и механизма их рассеяния и по этому в различных проводниках различна. При переходе из одного проводника в другой электроны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счет.

В первом случае вблизи контакта выделяется, а во втором поглощается теплота Пельтье. При переходе электронов из полупроводника в металле электроны отдают свою избыточную энергию. На контакте двух полупроводников (двух металлов) также выделяется (поглощается) теплота, т. к. средняя энергия носителей зарядов по обе стороны контакта различна.

Применение: эффект используется для охлаждения в холодильных установках, в некоторых электрических приборах [3].

Явлением Томсонаназывают выделение или поглощение теплоты, избыточной над джоулевой, при прохождении тока по неравномерно нагретому однородному проводнику или полупроводнику.

Эффект Томсона– выделение или поглощение теплоты в проводнике с током, вдоль которого имеется градиент температуры, происходящее помимо выделения джоулевой теплоты. Теплота Томсона пропорциональна силе тока, времени и перепаду температуры.

Если вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, причем направление тока соответствует направлению движения электронов от горячего конца к холодному, то при переходе от более нагретого участка в более холодный электроны тормозятся и передают избыточную энергию окружающим атомам (выделение теплоты); при обратном направление тока электроны, ускоряются полем термоэдс и пополняют свою энергию за счет энергии окружающих атомов (поглощение теплоты) [3].