До термоелектричним явищ відносяться ефекти Зеєбека, Пельтьє і Томсона. Ці явища знайшли широке застосування, зокрема ефект Зеєбека, покладений в основу виміру температур з допомогою термоелектричних термометрів.
Явище Зеєбека відкрито в 1821 р і полягає в тому, що в термопарах, спаи яких знаходяться при різних температурах, виникає термоелектрорушійна сила (термо).
Якщо уздовж провідника існує градієнт температур, то електрони на гарячому кінці набувають вищих енергії і швидкості, ніж на холодному; в напівпровідниках на додаток до цього концентрація електронів провідності зростає з температурою. В результаті виникає потік електронів від гарячого кінця до холодного і на холодному кінці накопичується негативний заряд, а на гарячому залишається НЕ скомпенсований позитивний заряд.
Процес накопичення заряду продовжується до тих пір, поки що виникла різниця потенціалів не викличе потік електронів в зворотному напрямку, рівний первинному, завдяки чому встановиться рівновага.
В електричному ланцюзі, складеної з різних провідників (М1 і М2), виникає термоЕРС, якщо місця контактів (А. B) підтримуються при різних температурах. Коли ланцюг замкнута, в ній тече електричний струм (званий термотока), причому зміна знака у різниці температур спаїв супроводжується зміною напрямку термотока (рис. 5).
Виникнення термоіндуцірованного струму в двох спаяних провідниках при різних температурах контактів
Величина термоедс залежить від абсолютних значень температур спаїв (TA, TB), різниці цих температур і від природи матеріалів, що становлять термоелемент. У невеликому інтервалі температур термоедс можна вважати пропорційною різниці температур:
Тут 12 - термоелектрична здатність пари (або коефіцієнт термоерс) металу 1 по відношенню до металу 2, який є характеристикою обох металів термопари. На практиці це створює певні незручності. Тому домовилися величину вимірювати по відношенню до одного і того ж металу, за який зручно прийняти свинець. тому для зразка зі свинцю не виникає ніякої різниці потенціалів між його нагрітим і холодним кінцями.
Значення коефіцієнтів термоЕРС металів М1 і М2 по відношенню до свинцю позначають відповідно 1 і 2 і називають абсолютними коефіцієнтами термо. тоді
Напрямок термотока визначається наступним чином: в нагрітому спае струм тече від металу з меншим значенням до металу, у якого коефіцієнт термоерс більше. Наприклад, для термопари залізо (М1) - константан (М2): 1 = +15,0 мкВ / К; 2 = -38,0 мкВ / К. Отже, струм в гарячому спае спрямований від константана до заліза (від М2 до М1). Саме ця ситуація (коли 2 <1 ) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 4.
Коефіцієнт термоЕРС визначається фізичними характеристиками провідників, складових термоелемент: концентрацією, енергетичним спектром, механізмами розсіювання носіїв заряду, а також інтервалом температур. У деяких випадках при зміні температури відбувається навіть зміна знака .
ЕРС обумовлена трьома причинами:
1) температурної залежністю рівня Фермі, що призводить до появи контактної складової термо;
2) дифузією носіїв заряду від гарячого кінця до холодного, що визначає об'ємну частину термоерс;
3) процесом захоплення електронів фононами, який дає ще одну складову - фононну.
Перша причина. Незважаючи на те, що в провідниках рівень Фермі слабо залежить від температури (електронний газ виродилися), для розуміння термоелектричних явищ ця залежність має принципове значення. Якщо обидва спаяний термоелемента знаходяться при одній і тій же температурі, то контактні різниці потенціалів рівні і спрямовані в протилежні сторони, тобто компенсують один одного. Якщо ж температура спаїв різна, то будуть неоднакові і внутрішні контактні різниці потенціалів. Це веде до порушення електричного рівноваги і виникненню контактної термоерс ():
k - постійна Больцмана;
е - заряд електрона.
Для вільних електронів k має лінійно змінюватися з температурою.
Друга причина обумовлює об'ємну складову термоерс, пов'язану з неоднорідним розподілом температури в провіднику. Якщо градієнт температури підтримується постійним, то через провідник буде йти постійний потік тепла. В металах перенесення тепла здійснюється в основному рухом електронів провідності. Виникає дифузний потік електронів, спрямований проти градієнта температури. В результаті, концентрація електронів на гарячому кінці зменшиться, а на холодному збільшиться. Всередині провідника виникне електричне поле ЕТ. спрямоване проти градієнта температури, що перешкоджає подальшому поділу зарядів (рис. 6).
Виникнення термоЕРС в однорідному матеріалі внаслідок просторової неоднорідності температури
У рівноважному стані наявність градієнта температури вздовж зразка створює постійну різницю потенціалів на його кінцях. Це і є дифузійна (або об'ємна) складова термоедс, яка визначається температурною залежністю концентрації носіїв заряду і їх рухливістю. Електричне поле виникає в цьому випадку в обсязі металу, а не на самих контактах.
У разі позитивних носіїв заряду (дірки) нагріте кінець зарядиться негативно, а холодний позитивно, що призведе до зміни знака термоЕРС. У провідниках змішаного типу від гарячого кінця до холодного дифундують одночасно і електрони, і дірки, збуджуючи електричні поля в протилежних напрямках. У деяких випадках ці поля компенсують один одного, і ніякої різниці потенціалів між кінцями не виникає. Саме такий випадок має місце в свинці.
Третє джерело термоерс - ефект захоплення електронів фононами. При наявності градієнта температури вздовж провідника виникає дрейф фононів, спрямований від гарячого кінця до холодного. Стикаючись з електронами, фонони повідомляють їм спрямований рух, захоплюючи їх за собою. В результаті, поблизу холодного кінця зразка накопичуватиметься негативний заряд (а на гарячому - позитивний) до тих пір, поки що виникла різниця потенціалів не врівноважує ефект захоплення. Ця різниця потенціалів і є додатковою складову термоерс, внесок якої при низьких температурах стає визначальним.
Найбільш загальне вираз для коефіцієнта термоерс металів (тобто для сильно виродженого електронного газу) має вигляд:
Вважаючи, що залежність провідності металів (s) від енергії (Е) досить слабка, для вільних електронів виходить формула:
Абсолютні значення всіх термоелектричних коефіцієнтів зростають із зменшенням концентрації носіїв.
В металах концентрації вільних електронів дуже великі і не залежать від температури; електронний газ знаходиться в виродженим стані і тому рівень Фермі, енергія і швидкості електронів також слабо залежать від температури. Тому термоерс «класичних» металів дуже мала (порядку декількох мкВ / К). Для напівпровідників може перевищувати 1000 мкВ / К.
Для порівняння, в таблиці наведені значення a деяких металів (по відношенню до свинцю) для інтервалу температур 0 ° С до 100 ° С (позитивний знак приписаний тим металам, до яких тече струм через нагрітий спай).
Все термоелектричні явища відносяться до явищ переносу і обумовлені електричними або тепловими потоками, що виникають в середовищі при наявності електричних і теплових полів. Причиною всіх термоелектричних явищ є те, що середня енергія носіїв в потоці відрізняється від середньої енергії в стані рівноваги.
Ефект Зеєбека, як і інші термоелектричні явища, має феноменологічний характер.
Так як в електричних схемах і приладах завжди є спаи і контакти різних провідників, то при коливаннях температури в місцях контактів виникають термоерс, які необхідно враховувати при точних вимірах.
З іншого боку, термо знаходить широке практичне застосування. Ефект Зеєбека в металах використовується в термопарах для вимірювання температур. Що стосується термоелектричних генераторів, в яких теплова енергія безпосередньо перетворюється в електричну, то в них використовуються напівпровідникові термоелементи, що володіють набагато більшими термоерс.
Найбільш важливою технічною реалізацією ефекту Зеєбека в металах є термопара - термочутливий елемент в пристроях для вимірювання температури.
Термопара складається з двох послідовно з'єднаних пайкою або зварюванням різнорідних металевих провідників М1 і М2. У поєднанні з електровимірювальними приладами термопара утворює термоелектричний термометр, шкала якого градуюється безпосередньо в До або ° С.