Ефект Зеєбека відноситься до термоелектричним явищам. До цієї групи належать також ефекти Пельтьє і Томсона.
У 1823 р Т. Зеєбека встановив, що в ланцюзі, що складається з різнорідних провідних матеріалів, виникає термоелектричний струм, якщо контакти матеріалів мають різну температуру. Якщо ланцюг розірвати в довільному місці, то на кінцях розімкнутому ланцюзі з'являється різниця потенціалів, яка називається термоелектродвіжущей силою (термоЕРС). Зеєбек довів, що різниця потенціалів в розімкнутої ланцюга dU залежить від різниці температур і виду матеріалу.
де - термоелектричний коефіцієнт Зеєбека.
dU (# 945;) прийнято вважати позитивною величиною, якщо потенціал гарячого контакту вище, ніж потенціал холодного.
Розглянемо ефект на прикладі ланцюга, що складається з двох різнорідних матеріалів 1 і 2 (рис. 7.11).
Розглянемо фізичну природу кожного механізму.
Об'ємна складова термоЕРС. Уявімо, що на кінцях однорідного провідника 1 виникає різниця температур Т2-Т1. так що уздовж провідника від B до А існує градієнт температури (див. рис. 7.11). Носії струму, що знаходяться в більш нагрітих областях, мають більшу швидкістю і енергією, ніж ті, які знаходяться в менш нагрітих областях провідника. Тому в провіднику від гарячого кінця до холодного починається переміщення зарядів. Якщо носіями заряду є електрони, то холодний кінець внаслідок їх надлишку заряджається негативно, а гарячий - позитивно.
Приблизну оцінку цієї складової термоЕРС можна привести в такий спосіб.
Електронний газ створює в провіднику тиск Р. пропорційне концентрації електронів n
де # 274; - середня енергія електронів.
Наявність градієнта температури викликає перепад цього тиску, для врівноваження якого формується поле з напруженістю Еоб.
З умови рівноваги цих процесів можна вивести вирази для коефіцієнта об'ємної термоЕРС
Цю складову термоЕРС називають теромодіффузіонной.
Як правило, в електронному провіднику # 945; про направлена від гарячого кінця до холодного, але для ряду перехідних металів і сплавів є винятки [14].
Можна записати вирази в диференціальної формі для контактної складової термоЕРС
З виразу (7.63) випливає, що
Підсумовуючи контактну і об'ємну диференціальну термо, отримаємо
В металах і напівпровідниках вираз (7.65) приводить до різних результатів.
ТермоЕРС в металах. Підставляючи середню енергію електронів # 274; і енергію Фермі в вираз (7.65), отримаємо формулу для диференціальної термоЕРС в металах
Більш суворий розрахунок призводить до дещо іншій формі
де r - показник ступеня в залежності.
З останнього виразу випливає, що диференційний коефіцієнт термоЕРС зростає з температурою. оскільки kТ< ТермоЕРС в напівпровідниках. Її об'ємна складова багато більше, ніж в металах, оскільки там існує сильна залежність концентрації носіїв від температури. Тому крім процесів, характерних для металів, в напівпровідниках виникає дифузний струм носіїв з гарячою області в холодну. На кінцях однорідного напівпровідника виникає об'ємна термоЕРС, яка в свою чергу формує дрейфовий струм. В умовах термодинамічної рівноваги дрейфовий і дифузійний струми рівні, т. Е. Для електронного напівпровідника можна записати вираз Рішення цього рівняння приводить до наступного виразу для діффузіоннойоб'емной складової термоЕРС. Знайдемо об'ємну термодіффузіонного складову термоЕРС в напівпровідниках. Тиск електронного газу в невиродженому полупроводнике становить Підставивши (7.70) в (7.61), отримаємо Більш точний результат дає вираз де r - показник ступеня в залежності. Вираз для рівня Фермі в невиродженому електронному напівпровіднику можна записати у вигляді Підставляючи (7.73) в (7.64), отримаємо вираз для контактнойсоставляющей термоЕРС в напівпровідниках Підсумовуючи диффузионную (7.69), термодіффузіонного (7.72) об'ємну складову і контактну становить термоЕРС (7.74), отримаємо вираз для повної диференціальної термоЕРС в електронному напівпровіднику де знак мінус поставлений відповідно до прийнятої полярністю. Для діркового напівпровідника такий вислів має вигляд Наведена оцінка диференціальної термоЕРС для електронного германію з n = 10 23 м -3 при Т = 300К дасть величину порядку 10 -3 В / к, що на три порядки більше ніж, в металах. Захоплення електронів фононами з'являється при низьких температурах. Механізм ефекту полягає в наступному. При наявності градієнта температури в провіднику виникає термодифузійне переміщення фононів від гарячого кінця до холодного із середньою швидкістю Jф. Електрони, які розсіюються на фононах, отримують додатковий імпульс і самі переміщаються від гарячого кінця провідника до холодного, створюючи термоЕРС Uф. Розрахунок диференційної термоЕРС, обумовленої захопленням електронів фононами показав, що де # 964; ф і # 964; е - середній час релаксації фононів і електронів. Застосування ефекту Зеєбека засноване на перетворенні теплової енергії в електричну. Таке перетворення здійснюється в термоелектрогенераторов. які використовують теплову енергію сонячного випромінювання, радіоактивного розпаду, хімічних реакцій. Перевагою термогенераторов є простота в експлуатації, мобільність. Основний їх недолік - низький ККД ( Крім того, ефект Зеєбека використовують в пристроях функціональної теплоелектронікі. для генерації струмових імпульсів (носіїв інформації) під дією теплових імпульсів.Схожі статті