Значение ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ в Большой советской энциклопедии, БСЭ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

явления, совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Т. я. являются эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Зеебека эффект состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает эдс (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах. В простейшем случае, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термоэлементом , или термопарой . Величина термоэдс зависит только от температур горячего T 1и холодного T 2 контактов и от материала проводников. В небольшом интервале температур термоэдс Е можно считать пропорциональной разности ( T 1 v T 2) , то есть Е a ( T 1 v Т 2). Коэффициент a называется термоэлектрической способностью пары (термосилой, коэффициента термоэдс, или удельной термоэдс). Он определяется материалами проводников, но зависит также от интервала температур; в некоторых случаях с изменением температуры a меняет знак. В таблице приведены значения а для некоторых металлов и сплавов по отношению к Pb для интервала температур 0-100 |С (положительный знак a приписан тем металлам, к которым течёт ток через нагретый спай). Однако цифры, приведённые в таблице, условны, так как термоэдс материала чувствительна к микроскопическим количествам примесей (иногда лежащим за пределами чувствительности химического анализа), к ориентации кристаллических зёрен, термической или даже холодной обработке материала. На этом свойстве термоэдс основан метод отбраковки материалов по составу. По этой же причине термоэдс может возникнуть в цепи, состоящей из одного и того же материала при наличии температурных перепадов, если разные участки цепи подвергались различным технологическим операциям. С др. стороны, эдс термопары не меняется при последовательном включении в цепь любого количества др. материалов, если появляющиеся при этом дополнительные места контактов поддерживают при одной и той же температуре.

Материал

a, мкв/|С

Материал

a, мкв/|С

Сурьма-

Железо-..-

Молибден -.

Кадмий -..

Вольфрам-..-

Медь-...

Цинк-

Золото-

Серебро -

Свинец-

Олово-..

Магний -..

Алюминий-.

+43

+15

+7,6

+4,6

+3,6

+3,2

+3,1

+2,9

+2,7

0,0

-0,2

-0,0

-0,4

Ртуть-.-...

Платина-..

Натрий -

Палладий -

Калий-

Никель-.

Висмут-.

Хромель-..

Нихром-

Платинородий-

Алюмель-..

Константан-..

Копель-..

-4,4

-6,5

-8,9

-13,8

-20,8

-68,0

+24

+18

-17,3

-38

Пельтье эффект обратен явлению Зеебека: при протекании тока в цепи из различных проводников, в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество теплоты Qn , пропорциональное протекающему через контакт количеству электричества (то есть силе тока I и времени t ) : Qn П lt. Коэффициент П зависит от природы находящихся в контакте материалов и температуры (коэффициент Пельтье).

У. Томсон (Кельвин) вывел термодинамическое соотношение между коэффициентом Пельтье и Зеебека ( a ), которое является частным проявлением симметрии кинетического коэффициента (см. Онсагера теорема ): П aТ, где Т - абсолютная температура, и предсказал существование третьего Т. я. - Томсона эффекта . Оно заключается в следующем: если вдоль проводника с током существует перепад температуры, то в дополнение к теплоте Джоуля в объёме проводника выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, дополнительное количество теплоты Q t (теплота Томсона): Qt t ( T 2 - T 1) lt, где t - коэффициент Томсона, зависящий от природы материала. Согласно теории Томсона, удельная термоэдс пары проводников связана с их коэффициентом Томсона соотношением: da/dT ( t 1- t 2)/ Т.

Эффект Зеебека объясняется тем, что средняя энергия электронов проводимости зависит от природы проводника и по-разному растет с температурой. Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создаёт одну из составляющих термоэдс, которую называют объёмной.

Вторая (контактная) составляющая - следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов . Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактная и объёмная термоэдс исчезают.

Вклад в термоэдс даёт также эффект увлечения электронов фононами. Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов , движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фонолы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем - положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения; эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами .

В металлах концентрация электронов проводимости велика и не зависит от температуры. Энергия электронов также почти не зависит от температуры, поэтому термоэдс металлов очень мала. Сравнительно больших значений достигает термоэдс в полуметаллах и их сплавах, где концентрация носителей значительно меньше и зависит от температуры, а также в некоторых переходных металлах и их сплавах (например, в сплавах Pd с Ag термоэдс достигает 86 мкв/ |С) . В последнем случае концентрация электронов велика. Однако термоэдс велика из-за того, что средняя энергия электронов проводимости сильно отличается от энергии Ферми. Иногда быстрые электроны обладают меньшей диффузионной способностью, чем медленные, и термоэдс в соответствии с этим меняет знак. Величина и знак термоэдс зависят также от формы поверхности Ферми. В металлах и сплавах со сложной Ферми поверхностью различные участки последней могут давать в термоэдс вклады противоположного знака и термоэдс может быть равна или близка к нулю. Знак термоэдс некоторых металлов меняется на противоположный при низких температурах в результате увлечения электронов фононами.

В дырочных полупроводниках на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем - остаётся нескомпенсированный отрицательный заряд (если только аномальный механизм рассеяния или эффект увлечения не приводят к перемене знака термоэдс). В термоэлементе, состоящем из дырочного и электронного полупроводников, термоэдс складываются. В полупроводниках со смешанной проводимостью к холодному контакту диффундируют и электроны и дырки, и их заряды взаимно компенсируются. Если концентрации и подвижности электронов и дырок равны, то термоэдс равна нулю.

В условиях, когда вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, причём направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, при переходе из более горячего сечения в более холодное, электроны передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота), а при обратном направлении тока, проходя из более холодного участка в более горячий, пополняют свою энергию за счёт окружающих атомов (теплота поглощается). Этим и объясняется (в первом приближении) явление Томсона. В первом случае электроны тормозятся, а во втором - ускоряются полем термоэдс, что изменяет значение t , а иногда и знак эффекта.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в том, что средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, зависит от их энергетического спектра (зонной структуры материала), концентрации электронов и механизма их рассеяния, и поэтому в разных проводниках различна. При переходе из одного проводника в другой электроны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счёт (в зависимости от направления тока). В первом случае вблизи контакта выделяется, а во втором - поглощается теплота Пельтье. Рассмотрим случай, когда направление тока соответствует переходу электронов из полупроводника в металл. Если бы электроны, находящиеся на примесных уровнях полупроводника, могли бы точно так же перемещаться под действием электрического поля, как электроны проводимости, и в среднем энергия электронов равнялась бы энергии Ферми в металле, то прохождение тока через контакт не нарушало бы теплового равновесия ( Q n 0). Но в полупроводнике электроны на примесных уровнях локализованы, а энергия электронов проводимости значительно выше уровня Ферми в металле (и зависит от механизма рассеяния). Перейдя в металл, электроны проводимости отдают свою избыточную энергию; при этом и выделяется теплота Пельтье. При противоположном направлении тока из металла в полупроводник могут перейти только те электроны, энергия которых выше дна зоны проводимости полупроводника. Тепловое равновесие в металле при этом нарушается и восстанавливается за счёт тепловых колебаний кристаллической решётки . При этом поглощается теплота Пельтье. На контакте двух полупроводников или двух металлов также выделяется (или поглощается) теплота Пельтье вследствие того, что средняя энергия участвующих в токе электронов по обе стороны контакта различна.

Таким образом, причина всех Т. я. - нарушение теплового равновесия в потоке носителей (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от энергии Ферми). Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей; поэтому в полупроводниках они в десятки и сотни раз больше, чем в металлах и сплавах.

Лит.: Жузе В. П., Гусенкова Е. И., Библиография по термоэлектричеству, М.- Л., 1963; Иоффе А. Ф., Полупроводниковые термоэлементы, М.- Л., 1960; Займан Дж., Электроны и фононы, пер. с англ., М., 1962; Попов М. М., Термометрия и калориметрия, 2 изд., М., 1954; Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967.

Л. С. Стильбанс.

Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012