8.2. Ефекти Зеєбека і Пельт’є

Одним із термоелектричних явищ, що реалізується у областіі контакту кристалів різного типу є термоелектричний ефект або ефект Зеєбека – явище виникнення термо-е.р.с. між контактами, що знаходяться при різних температурах.

Контактна різниця потенціалів не може привести до появи струму у замкнутому колі, якщо усі його елементи знаходяться при однаковій температурі. Дійсно, нехай створені послідовні контакти двох різних матеріалів, які утворюють електричне коло, до складу якого входить вольтметр з великим внутрішнім опором (рис. 8.2). Будемо вважати позитивними е.р.с., які приводять до виникнення струму у колі за напрямком годинникової стрілки і позначимо термодинамічні роботи виходу з цих матеріалів через χ₀₁ і χ₀₂. Тоді сумарна різниця поверхневих потенціалів у колі

Рис. 8.2. Термоелемент

. (8.6)

Зауважимо, що цей очевидний висновок справедливий за умови рівності температур контактів. Якщо ж T₁ ≠ T₂, то вирази у дужках (8.6) не будуть взаємно знищувані, оскільки значення хімічних потенціалів, а тому і χ₀, залежать від температури. Отже, за умови різниці температур контактів у колі з’явиться термо-е.р.с.

Виникнення термо-е.р.с. обумовлене трьома причинами:

1) вказаною залежністю контактної різниці потенціалів від температури (контактна складова термо-е.р.с.); 2) переважною дифузією носіїв струму від гарячої грані кристалу до холодної (об’ємна складова термо-е.р.с.) та 3) захопленням електронів фононами, які переміщуються від гарячої грані кристалу до холодної і, взаємодіючи з електронами, викликають їх дрейф у тому ж напрямку (фононна складова термо-е.р.с.). Величина ж термо-е.р.с. визначається різницею температур контактів

, (8.7)

де α₁ і α₂ – диференціальні термо-е.р.с. контактуючих кристалів.

На основі явища Зеєбека працюють термоелектричні елементи – пристрої для безпосереднього перетворення теплової енергії в електричну. Оскільки згідно (8.7) різниця потенціалів на контактах пропорційна різниці їх температур, то схему, показану на рис. 8.1, можна використовувати для створення електронних пристроїв вимірювання температури; їх називають термопарами.

Ефектом Пельт’є називають виділення або поглинання (залежно від напрямку струму) теплоти понад джоулеве тепло у контакті різнорідних провідників за умови проходження через нього постійного струму. Явище Пельт’є обумовлене тим, що у різнорідних кристалах, середні значення енергій теплового руху вільних носіїв заряду різні. Нехай енергія носіїв у кристалі 1 (рис. 8.2) більша, ніж у кристалі 2, а струм протікає так, що носії проходять через контакт у напрямку 1 → 2. Носії, що потрапили до кристалу 2 з кристалу 1, є у ньому нерівноважними, оскільки мають надлишок енергії понад її середнє значення у носіїв кристалу 2. Тому, взаємодіючи з коливаннями ґратки цього кристалу, вони віддають їй надлишок енергії, викликаючи його нагрівання. Цей процес відбувається у дуже тонкому шарі біля поверхні розділу кристалів, приводячи до нагрівання контакту. При протилежному напрямку струму, носії з кристалу 2 потрапляють у кристал 1, де їх енергія менша рівноважного значення у цьому кристалі. Взаємодіючи з коливаннями ґратки, вони збільшують свою енергію, контакт при цьому охолоджується.

На відміну від явища Зеєбека, при проходженні термоструму у колі термоелемента на гарячому контакті теплота Пельт’є поглинається, а у холодному – виділяється. Тому для підтримки постійного термоструму необхідно до гарячого контакту безперервно підводити тепло, а від холодного – відводити. Ефект Пельт’є використовується для створення економічного, високоефективного холодильного устаткування та засобів кондиціонування на основі контактів з напівпровідникових кристалів.