87. Термоелектричні явища — ряд явищ, які пов'язують між собою електричний струм та потоки тепла в речовинах і контактах між ними.

Область фізики які вивчає ці явища називається термоелектрикою.

До термоелектричних явищ належать:

Ефект Зеебека,Ефект Пельтьє,Ефект Томсона.

Ефект Зеєбека - явище виникнення ЕРС в замкнутому електричному ланцюзі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться при різних температурах.

Ефект Зеєбека також іноді називають просто термоелектричним ефектом.

Ефект Зеєбека полягає в тому, що в замкнутій ланцюга, що складається з різнорідних провідників, виникає ЕРС (термоерс), якщо місця контактів підтримують при різних температурах. Ланцюг, що складається тільки з двох різних провідників називається термоелементом або термопарою.

Величина виникаючої термоерс залежить тільки від матеріалу провідників і температур гарячого ( ) і холодного ( ) контактів.

У невеликому інтервалі температур термоерс можна вважати пропорційною різниці температур:

, де - термоелектрична здатність пари (або коефіцієнт термоерс).

У простому випадку коефіцієнт термоЕРС визначається лише матеріалами провідників, проте строго кажучи, він залежить і від температури, і в деяких випадках з зміною температури змінює знак. Більш коректне вираз для термоедс:

Величина термоедс становить мілівольт при різниці температур в 100 К і температурі холодного спаю в 0 ° С (наприклад, пара мідь-константан дає 4,25 мВ, платина-платинородій - 0,643 мВ, ніхром-нікель - 4,1 мВ).Залежність від температури контактної різниці потенціалів. Контактна різниця потенціалів викликана відмінністю енергій Фермі у контактуючих різних провідників. При створенні контакту хімічні потенціали електронів стають однаковими, і виникає контактна різниця потенціалів, що дорівнює

, де - енергія Фермі, Є-заряд електрона.

На контакті тим самим існує електричне поле, локалізоване в тонкому пріконтактному шарі. Якщо скласти замкнутий ланцюг з двох металів, то U виникає на обох контактах. Електричне поле буде направлено однаковим чином в обох контактах - від більшого F до меншого. Це означає, що якщо зробити обхід по замкнутому контуру, то в одному контакті обхід відбуватиметься по полю, а в іншому - проти поля. Циркуляція вектора Е тим самим буде дорівнює нулю.

Якщо температура одного з контактів зміниться на dT, то, оскільки енергія Фермі залежить від температури, U також зміниться. Але якщо змінилася внутрішня контактна різниця потенціалів, то змінилося електричне поле в одному з контактів, і тому циркуляція вектора Е буде відмінна від нуля, тобто з'являється ЕРС в замкнутому ланцюзі.

Дана ЕРС називається контактна ЕРС.

Якщо обидва контакти термоелемента знаходяться при одній і тій же температурі, то і контактна, і об'ємна термоедс зникають.

Ефект Пельтьє - термоелектричне явище, при якому відбувається виділення або поглинання тепла при проходженні електричного струму в місці контакту (спаю) двох різнорідних провідників. Величина виділяється тепла і його знак залежать від виду контактуючих речовин, напрямку і сили протікає електричного струму:

Q = ПАBI = (ПB-ПA)I, де

Q - кількість виділеного або поглинутого тепла;

I - сила струму;

П - коефіцієнт Пельтье, який пов'язаний з коефіцієнтом термо-ЕРС α друге співвідношення Томсона П = αT, де Т - абсолютна температура в K.

Ефект відкритий Ж. Пельтьє в 1834 році, суть явища досліджував кількома роками пізніше - в 1838 році Ленц, який провів експеримент, в якому він помістив краплю води в поглиблення на стику двох стрижнів з вісмуту і сурми. При пропущенні електричного струму в одному напрямку крапля перетворювалася на лід, при зміні напрямку струму - лід танув, що дозволило встановити, що залежно від напрямку протікає в експерименті струму, крім джоулева тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтье. Ефект Пельтье «обернений» ефекту Зеєбека.

Ефект Пельтье більш помітний у напівпровідників, ця властивість використовується в елементах Пельтье.

Причина виникнення явища Пельтье полягає в наступному. На контакті двох речовин є контактна різниця потенціалів, яка створює внутрішнє контактне поле. Якщо через контакт протікає електричний струм, то це поле буде або сприяти проходженню струму, або перешкоджати. Якщо струм йде проти контактного поля, то зовнішнє джерело повинен затратити додаткову енергію, яка виділяється в контакті, що призведе до його нагрівання. Якщо ж струм йде по напрямку контактного поля, то він може підтримуватися цим полем, яке і здійснює роботу з переміщення зарядів. Необхідна для цього енергія відбирається у речовини, що призводить до охолодження його в місці контакту.