16.3. Ефект Зеєбека

Рис. 16.3

У замкненому колі із двох різнорідних металів на границях їхніх контактів виникають контактні різниці потенціалів, спрямовані назустріч одна одній. Якщо температури контактів однакові, то сумарна різниця потенціалів   і струму в колі не буде. Якщо ж контакти підтримувати при різних температурах (нагріваючи або охолоджуючи один з них), то в колі виникне відмінна від нуля ЕРС (рис. 16.3):

.

Останній вираз за допомогою (16.4) можна перетворити до виду

або

.

(16.5)

Коефіцієнт називається термосилою.

Таким чином, ефект Зеєбека полягає у виникненні ЕРС внаслідок різниці температур контактів у замкненому ланцюзі, що складається з різнорідних металів. Розглянемо деякі з важливих застосувань цього ефекту.

1. Вимірювання температур. Переваги цього методу вимірювання температур полягають в електричному характері сигналу, що дозволяє проводити дистанційні вимірювання температур; можливості вимірювання температур у діапазоні 10² – 10³ К; малості габаритних розмірів і безінерційності.

2. Використання термопар для генерування ЕРС, тобто для перетворення теплової енергії в електричну. Такі генератори використовують у деяких автоматичних системах, у медичній техніці, космічних апаратах. На морських суднах ефект Зеєбека використають для перетворення вторинного тепла, що виділяється головним двигуном, в електричну енергію.

16.4. Ефект Пельтьє

Друге термоелектричне явище – ефект Пельтьє (1834 р.) полягає в тому, що при пропусканні електричного струму через контакт двох різнорідних провідників у ньому відбувається виділення або поглинання теплоти, додаткової щодо джоулевої теплоти. При зміні напрямку струму нагрівання контакту змінюється його охолодженням.

Теплота Пельтьє Q_П, що виділяється або поглинається на контакті за час t, на відміну від теплоти Джоуля-Ленца, пропорційна силі струму I у першій степені:

,

(16.6)

де  П – коефіцієнт Пельтьє, що залежить від природи стичних провідників і температури контакту.

Рис. 16.4

Розглянемо механізм ефекту Пельтьє. Електрони, пройшовши через контакт із різнорідних металів, залежно від напрямку струму будуть або прискорюватися контактною різницею потенціалів, або гальмуватися. Якщо електрон потрапляє в область із меншим значенням потенціалу, він прискорюється, і його кінетична енергія зростає. Надлишок цієї енергії електрон у результаті зіткнень віддає іонам кристалічної гратки, внаслідок чого контакт нагрівається (рис. 16.4). І навпаки, якщо електрон попадає в область із більшим потенціалом, його кінетична енергія зменшується й контакт охолоджується, оскільки при зіткненнях з атомами металу електрони відбирають у них енергію.

Зміна кінетичної енергії електрона при переході через контакт чисельно дорівнює стрибку потенціальної енергії W_p=e_n, де _n – контактна різниця потенціалів, обумовлена різною концентрацією електронів (див. формулу (16.3)). Тоді теплоту Пельтьє можна знайти як добуток  W_к на число електронів (див. §15.1), що пройшли через контакт перерізом S за час t:

.

Враховуючи, що I=jS, де  – густина струму (див. (15.3)), одержуємо

.

(16.7)

Із зіставлення (16.6) і (16.7) видно, що коефіцієнт Пельтьє чисельно дорівнює контактної різниці потенціалів  .

Ефект Пельтьє використовують для охолодження в холодильних установках і деяких електронних приладах.