Объяснение эффекта Зеебека Объемная термоЭдс или различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах
Если вдоль проводника термопары создан градиент температур, то электроны на горячих концах приобретают более высокие энергии (и, соответственно, скорости), чем на холодных. Если имеется полупроводник, то концентрация электронов проводимости еще дополнительно растет с температурой.
В результате, в каждом проводнике (полупроводнике), возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце появляется отрицательный потенциал, а на горячем – положительный.
Процесс происходит в каждом из проводников (полупроводников) термопары и продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов ∆U (на концах каждого из проводников или полупроводников) не вызовет поток электронов, равный первичному в обратном направлении (благодаря чему установится равновесие).
Разность температур создает внутри проводника непотенциальноеm электрическое поле с напряженностью Е.
По определению, электродвижущая сила ε на участке проводника L равна работе сил непотенциального электрического поля по перемещению заряда по этому проводнику
Термоэдс, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной
Контактная термоЭдс или различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов в различных веществах
При контакте двух металлов (или полупроводников) возникает контактная разность потенциалов. Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих твердых тел.
Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А1 и А2, т.е. с различными положениями уровня Ферми (верхнего заполненного электронами энергетического уровня). Они являются характеристиками конкретного металла, которые при этом зависят от температуры. Если A1<A2 (этот случай изображен на рис.2 а), то уровень Ферми располагается в металле 1 выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, что приведет к тому, что в приконтактном слое металл 1 зарядится положительно, а металл 2 отрицательно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле, заряжающемся положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицательно, вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, которое, как доказывается в статистической физике, характеризуется совпадением уровней Ферми в обоих металлах (рис. 2, б)
Таким образом, при создании контакта уровни Ферми выравниваются и возникает контактная разность потенциалов, равная
где F – энергия Ферми 1 и 2 металла , e – заряд электрона.
В контакте тем самым существует электрическое поле с напряженностью Е = – ∆U/∆x, локализованное в тонком приконтактном слое толщиной ∆x. Это значит, что если составить замкнутую цепь L из двух металлов (имеющих одинаковую температуру) и совершить обход по замкнутому контуру L, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом – против поля.
При одинаковой температуре контактирующих металлов разность потенциалов внутри проводников одинакова на обоих концах
и, следовательно, результирующая работа сил электрического поля (и, соответственно, ЭДС) в цепи будет равна нулю
Если же температуру одного из контактов изменить, то, поскольку энергия Ферми F зависит от температуры, контактная разность потенциалов ∆U на одном из концов также изменится и, следовательно, работа сил электрического поля Е будет отлична от нуля. То есть, появится ЭДС в замкнутой цепи. Данная ЭДС называется контактной термоэдс, которая намного больше объемной.
Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.