10.3. Термоэлектрические явления

Термоэлектрическими явлениями называется совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в проводящих телах. Наблюдаются как в твердых проводниках (металлах, полуметаллах, полупроводниках), так и в плазме. К термоэлектрическим явлениям в твердых проводниках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.

Зеебека эффект – возникновение ЭДС (термоЭДС) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных между собой разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах. Открыт немецким физиком Т. И. Зеебеком в 1821 г. В простейшем случае, когда такая цепь состоит из двух разнородных проводников, она называется термопарой или термоэлементом. Величина термоЭДС  зависит от абсолютных значений температур “горячего” Т2 и “холодного” Т1 контактов разности этих температур , а также от природы контактирующих материалов. В небольшом интервале температур , коэффициент  называется коэффициентом дифференциальной термоЭДС, или удельной термоЭДС. Величина  определяется типом, концентрацией и энергетическим спектром носителей заряда, а также механизмом их рассеяния. В некоторых случаях с изменением температуры  меняет знак. Эффект Зеебека объясняется тем, что при наличии градиента температуры вдоль проводника электроны на “горячем” конце приобретают более высокие энергии, чем на “холодном”; в полупроводниках, кроме того, с ростом температуры растет концентрация электронов проводимости и дырок. В результате в цепи возникает поток электронов от “горячего” конца к “холодному”, что приводит к накоплению отрицательного заряда на “холодном” конце и нескомпенсированного положительного  - на “горячем”. Возникающая при этом разность потенциалов является одной из основных составляющих термоЭДС, называется объемной. Вторая составляющая, называется контактной, - следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов. Контактная разность потенциалов Uк обусловлена различными значениями работы выхода А и энергии Ферми  контактируемых материалов . Третья составляющая термоЭДС (особенно значительная при низких температурах) связана с эффектом увлечения электронов фононами. Число фононов, движущихся от “горячего” конца к “холодному”, больше, чем движущихся в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы увлекают их за собой, что приводит к возникновению дополнительной разности потенциалов.

Пельтье эффект обратен Зеебека эффекту: при пропускании электрического тока через контакт (спай) двух различных проводников или полупроводников на контакте происходит выделение тепла (дополнительно к джоулеву) при одном направлении тока или его поглощение при обратном направлении. Открыт французским физиком П. Ж. Пельтье в 1834 г. Количество выделенного или поглощенного тепла , где  - коэффициент Пельтье, I – сила тока, t – время. При переходе из одного проводника в другой носители заряда либо передают избыточную энергию атомам (выделение тепла), либо пополняют недостаток энергии за их счет (поглощение тепла).

Томсона эффект – выделение или поглощение тепла в проводнике с током при наличии перепада температуры Т1 – Т0 вдоль этого проводника. Предсказан английским физиком У. Томсоном (лорд Кельвин) в 1856 г. Количество выделенного или поглощенного тепла , где  - коэффициент Томсона, зависящий от природы исследуемого материала и его средней температуры. Эффект Томсона объясняется тем, что при переходе из более нагретого участка в более холодный электроны тормозятся, передавая избыточную энергию окружающим атомам (выделение тепла), а при движении в обратном направлении – ускоряются, пополняя свою энергию за счет энергии окружающих атомов (поглощение тепла).

Все термодинамические коэффициенты  связаны между собой: ; . Термоэлектрические явления лежат в основе термоэлектрических датчиков температуры, холодильных установок, термоэлектрических генераторов, термостатов и др.