Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
Если в разрыв одной из ветвей термоэлемента включить последовательно любое число проводников другого состава, все спаи которых термостатированы, т. е. поддерживаются при одной и той же температуре, то тормо-ЭДС в такой цепи будет равна термо-ЭДС исходного термоэлемента.
3°. Явление Зеебека обусловлено следующими тремя причинами:
а) преимущественной диффузией носителей тока в проводнике или полупроводнике от нагретого конца к холодному (объемная составляющая термо-ЭДС);
б) зависимостью контактной разности потенциалов от температуры, связанной с зависимостью химического потенциала ц от температуры (контактная составляющая термо-ЭДС);
IV.5.3. ТЕРМОЭЛЕКТР. ЯВЛ. В МЕТАЛ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ 443
в) увлечением электронов фононами, которые преимущественно перемещаются от горячего конца проводника к холодному и, взаимодействуя с электронами, вызывают преимущественное перемещение их в том же направлении (фононная составляющая термо-ЭДС); при низких температурах эта составляющая термо-ЭДС может играть определяющую роль.
Соответственно удельная термо-ЭДС а равна сумме трех составляющих:
a = O0 + ак + Оф,
где і л
= _1 dn
к edf'
В металлах электронный газ находится в сильно вырожденном состоянии. Концентрация электронов проводимости очень велика и не зависит от температуры, а их распределение по энергиям и скоростям теплового движения незначительно изменяется при нагревании. Поэтому значения удельной термо-ЭДС металлов очень малы (порядка нескольких мкВ/К). Явление Зеебека в металлах используют в основном для измерения температуры.
В полупроводниках концентрация носителей тока (электронов проводимости и дырок) значительно меньше, чем в металлах. Обычно она столь невелика, что носители тока подчиняются классической статистике Больцмана (невырожденный полупроводник), т. е.
з
средняя энергия их теплового движения равна 2 kT,
где к — постоянная Больцмана. С повышением температуры полупроводника увеличивается концентрация носителей тока (иногда она может сохраняться неизменной) и, что особенно существенно, возрастает скорость их теплового движения. Поэтому значения удельной термо-ЭДС а для невырожденных полупроводников с одним типом носителей тока во много раз больше, чем для металлов (порядка IO2—IO3 мкВ/К). Коэффициенты а у электронных и дырочных полупроводников противоположны по знаку. Следовательно, наибольшие значения удельной дифференциальной термо-ЭДС Ct12 получаются для пар, составленных из электронного и дырочного полупроводников.
Полупроводниковые термоэлементы используют ДЛЯ прямого преобразования внутренней энергии в электрическую.
444 IV.5. КОНТАКТНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТР. И ЭМИССИОН ЯВЛЕНИЯ
4°. Явлением Пельтье называют выделение или поглощение (в зависимости от направления тока) теплоты, избыточной над джоулевой и называемой теплотой Пельтье, осуществляющееся в спае разнородных проводников или полупроводников при прохождении через спай постоянного электрического тока.
На поверхности контакта двух проводников 1 и 2 непрерывны электрохимический потенциал (|х - е<р), температура T и нормальные составляющие плотности потока энергии и и плотности тока j. Поэтому из выражения для и (5.2) следует, что при прохождении постоянного тока I из первого проводника во второй на поверхности контакта за промежуток времени t выделяется (или поглощается) теплота Пельтье
Cn ~ Tl12It = П1гд,
где
П12 — Mj - U2 = —<Xj2T1 и д — It.
В отличие от джоулевой теплоты, пропорциональной квадрату силы тока и всегда выделяющейся в проводнике, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока, а ее знак зависит от направления тока в спае. Если ток в спае идет из проводника с большим значением коэффициента Пельтье в проводник с меньшим значением коэффициента Пельтье (Пд > П2 и П12 > О), то Qn > О, т. е. теплота Пельтье выделяется в спае. При противоположном направлении тока через спай Qn < О, т. е. теплота Пельтье поглощается в спае.
5°. Явление Пельтье обусловлено тем, что в разнородных проводниках или полупроводниках, находящихся в контакте, значения W1 и W2 средней энергии подвижных зарядов, участвующих в образовании тока, не равны друг другу. Пусть, например, W1 ^ W2 и ток имеет такое направление, что носители тока переходят через поверхность контакта из 1-го проводника во 2-й. Во 2-м проводнике носители тока, перешедшие из 1-го проводника, имеют энергию, превышающую ту, которая соответствует термодинамическому равновесию между носителями тока и узлами кристаллической решетки. Поэтому, сталкиваясь с узлами кристалличе-
IV.5.3. ТЕРМОЭЛЕКТР. ЯВЛ. В МЕТАЛ. И ПОЛУПРОВОДНИКАХ 445
ской решетки 2-го проводника, носители тока передают им избыток своей энергии, вызывая нагревание проводника. Этот процесс происходит в очень тонком слое
2-го проводника, прилегающем к поверхности контакта, т. е. проявляется в нагревании спая. Если при тех же условиях ток в спае имеет противоположное направление, то носители тока переходят из 2-го проводника в 1-й, имея энергию, меньшую равновесной в 1-м проводнике. Сталкиваясь с узлами кристаллической решетки 1-го проводника, носители тока получают энергию, недостающую им до равновесной. Следовательно, в этом случае спай должен охлаждаться.
