2. Термоэлектрические явления

Термоэлектрические явления - это группа физических явлений (явления Зеебека, Пельтье и Томсона), обусловленных существованием взаимосвязи между тепловыми и электрическими процессами в проводниках электричества.

Явление Зеебека, открытое в 1821 году, состоит в том, что в замкнутой электрической цепи из разных материалов возникает термоэдс, если места контактов поддерживаются при разных температурах. Величина   Т,  = Т.

Явление Пельтье обратно явлению Зеебека: при прохождении тока в цепи из различных проводников в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля-Ленца, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество тепла Q_П, пропорциональное протекающему через контакт электрическому заряду.

Q_П = ПIt. (6)

Коэффициент П (коэффициент Пельтье) зависит от природы находящихся в контакте материалов.

Томсон (лорд Кельвин) вывел термодинамическое соотношение между П и :

П = Т, (7)

где Т - абсолютная температура. Им было предсказано существование третьего термоэлектрического явления (явления Томсона), которое заключается в следующем: если вдоль проводника, по которому протекает ток, существует перепад температур, то в дополнение к теплоте Джоуля-Ленца в объеме проводника выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество тепла (теплота Томсона):

Q_=(T₂-T₁)It, (8)

где  - коэффициент Томсона, зависящий от природы материала.

Качественно термоэлектрические явления можно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов, участвующих в токе, различна в разных проводниках и по разному растет с температурой. Если вдоль проводника существует перепад температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие скорости и энергии, чем на холодном. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остается нескомпенсированный положительный заряд. Этот процесс накопления будет продолжаться до тех пор, пока возникшая таким образом разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, и благодаря этому установится стационарное состояние. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создает одну (объемную) составляющую термоэдс.

Вторая (контактная) составляющая – следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов. Контактная разность потенциалов обусловлена различием работ выхода электронов и концентраций свободных электронов в металлах, приведенных в контакт. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то разность контактных потенциалов дает свой вклад в термоэдс, который может быть сравним или даже больше объемной термоэдс и, как правило, противоположен последней.

В 1953 году был открыт еще один источник термоэдс – эффект увлечения электронов фононами. Если в твердом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. При своем направленном движении фононы в результате столкновений с электронами будут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем – положительный) до тех пор, пока возникшая таким образом разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения; эта разность потенциалов и представляет дополнительную составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В металлах концентрация свободных электронов очень велика (10²²см^-3) и не зависит от температуры. Энергия и скорости электронов также почти не зависят от температуры. Поэтому термоэдс "классических" металлов очень мала (несколько мкВ/К). Для полупроводников удельная термоэдс имеет порядок 10²10³ мкВ/К.

В целом удельная термоэдс = _о+_к+_Ф, где _о  объемная составляющая термоэдс, обусловленная преимущественной диффузией носителей тока в проводнике или полупроводнике от нагретого конца к холодному, _к - контактная составляющая термоэдс, связанная с зависимостью химического потенциала от температуры, _Ф - фононная оставляющая термоэдс.