Ефект Зеєбека
Ефект Зеєбека— явище виникнення ЕРС у замкнутому електричному ланцюзі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться за різних температур.
Ефект Зеєбека також іноді називають просто термоелектричним ефектом.
Зміст
Ефект Зеєбека полягає в тому, що в замкнутому ланцюгу, що складається з різнорідних провідників, виникає термо-ЕРС, якщо місця контактів підтримують за різних температур. Ланцюг, який складається лише з двох різних провідників, називається термоелементом або термопарою.
Величина термо-ЕРС, що виникає, в першому наближенні залежить тільки від матеріалу провідників і температур гарячого ( T_1 ) і холодного ( T_2 ) контактів.
У невеликому інтервалі температур термо-ЕРС E можна вважати пропорційною різниці температур:
E = \alpha_(T_2 - T_1), де \alpha_ - термоелектрична здатність пари (або коефіцієнт термо-ЕРС).
У найпростішому випадку коефіцієнт термо-ЕРС визначається лише матеріалами провідників, однак, строго кажучи, він залежить і від температури, і в деяких випадках із зміною температури змінює знак.
Коректніше вираз для термо-ЕРС:
\mathcal E = \int\limits_^ \alpha_(T)dT.
Величина термо-ЕРС становить мілівольти при різниці температур 100 °С 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) Кухлінг Х. Довідник з фізики. - М.: Світ. - 1982. - С.374-375. .
Пояснення ефекту
Виникнення ефекту Зеєбека викликано кількома складовими.
Різна залежність середньої енергії електронів від температури у різних речовинах
Якщо вздовжпровідника існує градієнт температур, то електрони на гарячому кінці набувають більш високу енергію і швидкість, ніж на холодному; у напівпровідниках на додаток до цього концентрація електронів провідності зростає з температурою. В результаті виникає потік електронів від гарячого кінця до холодного і холодному кінці накопичується негативний заряд, але в гарячому залишається некомпенсированный позитивний заряд. Процес накопичення заряду триває до тих пір, поки різниця потенціалів, що виникла, не викличе потік електронів у зворотному напрямку, рівний первинному, завдяки чому встановиться рівновага.
ЕРС, виникнення якої описується даним механізмом, називаєтьсяоб'ємною ЕРС.
Різна залежність від температури контактної різниці потенціалів
U = \frac де F - Енергія Фермі, e - заряд електрона.
На контакті цим існує електричне поле, локалізоване в тонкому приконтактному шарі. Якщо скласти замкнутий ланцюг із двох металів, то U виникає на обох контактах. Електричне поле буде спрямоване однаково в обох контактах - від більшого F до меншого. Це означає, що якщо здійснити обхід по замкнутому контуру, то в одному контакті обхід відбуватиметься по полю, а в іншому проти поля. Циркуляція вектораЕтим самим дорівнюватиме 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 вектораЕбуде відмінна від нуля, тобто з'являється ЕРС замкнутої ланцюга.
Дана ЕРС називаєтьсяконтактна ЕРС.
Якщо обидва контакти термоелемента знаходяться приодній і тій же температурі, і контактна, і об'ємна термо-ЕРС зникають.
Фононне захоплення
Якщо у твердому тілі існує градієнт температури, то кількість фононів, що рухаються від гарячого кінця до холодного, буде більшою, ніж у зворотному напрямку. В результаті зіткнень з електронами фонони можуть захоплювати за собою останні і на холодному кінці зразка накопичуватиметься негативний заряд (на гарячому — позитивний) доти, доки різниця потенціалів, що виникла, не врівноважить ефект захоплення.
Ця різниця потенціалів і є 3-ю складовою термоедс, яка при низьких температурах може бути в десятки і сотні разів більше розглянутих вище.
Магнонне захоплення
У магнетиках спостерігається додаткова складова термоедс, обумовлена ефектом захоплення магнонами електронів.