Термо-электрические свойства материалов. Явление Зеебека. Явление Пельтье. Явление Томпсона. Измерение температуры методом термопар

11. ТЕРМО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

11.1. Основные понятия

В металлах и полупроводниках процессы переноса заряда (электрический ток) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения электронов проводимости и дырок, являющихся носителями тока. Эта взаимосвязь обуславливает ряд явлений, объединенных одним понятием – термоэлектрические явления. К ним относят явления Зеебека, Пельтье и Томпсона.

Рис. 11.1. Схема теплового переноса зарядов

Рассмотрим стержень из однородного проводника (или полупроводника), на который не действует ни электрическое, ни магнитное поле. Стержень подвергается неравномерному нагреву вдоль его длины (рис. 11.1). Разные участки стержня будут находиться в разных тепловых условиях, и это скажется на поведении свободных электронов. Там, где температура выше, заряды будут обладать большей энергией. Кроме того, число свободных электронов может возрастать, если имеется возможность перехода электронов из заполненной зоны в зону проводимости. Обе эти причины приведут к тому, что начнется диффузия свободных зарядов, которая будет происходить  до тех пор, пока не появится противополе, уравновешивающее тенденцию к равномерному распределению. На концах стержня возникнет разность потенциалов. При этом на одном конце образуется отрицательный, а на другом - положительный заряд.

Дифференциальные соотношения для плотности тока и плотности потока энергии в изотропном металле или полупроводнике в отсутствии внешнего магнитного поля при неравномерном нагреве примут вид

                                         (11.1)

где u – плотность потока энергии; μ – химический потенциал электронов проводимости; φ – электрический потенциал; λ – коэффициент теплопроводности;  γ – удельная электропроводность; α – удельная электродвижущая сила; П – коэффициент Пельтье; j – плотность постоянного тока; Т –температура.

Удельная электродвижущая сила и коэффициент Пельтье зависят о материала проводника (полупроводника) и связаны между собой соотношением

                                                                                                      (11.2)

11.2.  Явление Зеебека

Явление Зеебека проявляется в возникновении электродвижущей силы в замкнутой электрической цепи, составленной из разнородных последовательно соединенных проводников или полупроводников, если места их контакта поддерживать при различных температурах. Это явление также известно как явление термоэлектричества, имеющее широкое практическое применение.

Электрический ток можно наблюдать в кольцевом проводнике, составленном  из  двух  и более  различных  материалов.  На рис. 11.2  представлена простейшая замкнутая электрическая цепь, состоящая из двух разнородных проводников 1 и 2, называемых термоэлементами или термопарой. Если  температуры спаев А и В не равны, то при выбранном направлении обхода цепи по часовой стрелке термоэлектродвижущая  сила (термо-ЭДС) будет равна

 Рис. 11.2. Кольцевая электрическая цепь из разнородных проводников

                                               (11.3)

где α₁ и α₂  - удельная термо-ЭДС материала 1 и 2; α₁₂ – удельная дифференциальная термоэлектродвижущая сила для данной термопары.

Из (11.3) следует

Измеряя термо-ЭДС, можно определять не α, а разность этих величин, Комбинируя разные пары проводников и полупроводников