Эффект Зеебека. Краткий обзор развития этого открытия

К термоэлектрическим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти явления нашли широкое применение, в частности эффект Зеебека, положенный в основу измерения температур с помощью термоэлектрических термометров.

Явление Зеебека открыто в 1821 г. и заключается в том, что в термопарах, спаи которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс).

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся не скомпенсированный положительный заряд.

Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

В электрической цепи, составленной из разных проводников (М 1 и М 2), возникает термоэдс, если места контактов (А , B ) поддерживаются при разных температурах. Когда цепь замкнута, в ней течет электрический ток (называемый термотоком ), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 5).

Возникновение термоиндуцированного тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов

Величина термоэдс зависит от абсолютных значений температур спаев (T A , T B ), разности этих температур и от природы материалов, составляющих термоэлемент. В небольшом интервале температур термоэдс  можно считать пропорциональной разности температур:

 = α 12 (T 2 − T 1), (5)

d =  12 dT ;

Здесь  12 – термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс ) металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину  измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец , т.к. для образца из свинца не возникает никакой разности потенциалов между его нагретым и холодным концами .

Значения коэффициентов термоэдс металлов М 1 и М 2 по отношению к свинцу обозначают соответственно  1 и  2 и называют абсолютными коэффициентами термоэдс . Тогда

 12 =  1 –  2 .

Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением  к металлу, у которого коэффициент термоэдс больше. Например, для термопары железо (М 1) - константан (М 2):  1 = +15,0 мкВ/К;  2 = –38,0 мкВ/К. Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М 2 к М 1). Именно эта ситуация (когда  2 <  1) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 4.

Коэффициент термоэдс определяется физическими характеристиками проводников, составляющих термоэлемент: концентрацией, энергетическим спектром, механизмами рассеяния носителей заряда, а также интервалом температур . В некоторых случаях при изменении температуры происходит даже изменение знака .

Термоэдс обусловлена тремя причинами :

1) температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей термоэдс;

2) диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть термоэдс;

3) процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую – фононную.

Первая причина . Несмотря на то, что в проводниках уровень Ферми слабо зависит от температуры (электронный газ вырожден), для понимания термоэлектрических явлений эта зависимость имеет принципиальное значение. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной термоэдс ():

(8)

где E F – энергия Ферми;

k – постоянная Больцмана;

е – заряд электрона.

Для свободных электронов  k должно линейно меняться с температурой.

Вторая причина обуславливает объемную составляющую термоэдс, связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет электрическое поле Е Т , направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. 6).

Возникновение термоЭДС в однородном материале вследствие пространственной неоднородности температуры

В равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная ) составляющая термоэдс, которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.

В случае положительных носителей заряда (дырки) нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный положительно, что приведет к смене знака термоэдс. В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлениях. В некоторых случаях эти поля компенсируют друг друга, и никакой разности потенциалов между концами не возникает. Именно такой случай имеет место в свинце.

Третий источник термоэдс – эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов, направленный от горячего конца к холодному. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение, увлекая их за собой. В результате, вблизи холодного конца образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем – положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой дополнительную составляющую термоэдс, вклад которой при низких температурах становится определяющим.

Наиболее общее выражение для коэффициента термоэдс металлов (то есть для сильно вырожденного электронного газа ) имеет вид:

(10)

Считая, что зависимость проводимости металлов (s ) от энергии (Е ) достаточно слабая, для свободных электронов получается формула:

Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей.

В металлах концентрации свободных электронов очень велики и не зависят от температуры; электронный газ находится в вырожденном состоянии и поэтому уровень Ферми, энергия и скорости электронов также слабо зависят от температуры. Поэтому термоэдс «классических» металлов очень мала (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников  может превышать 1000 мкВ/К.

Для сравнения, в таблице приведены значения a некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур 0 °С до 100 °С (положительный знак  приписан тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай).

Металл  , мкВ/К

Платина -4,4

Олово -0,2

Свинец 0,0

Серебро +2,7

Сурьма +4,3

Все термоэлектрические явления относятся к явлениям переноса и обусловлены электрическими или тепловыми потоками, возникающими в среде при наличии электрических и тепловых полей. Причиной всех термоэлектрических явлений является то, что средняя энергия носителей в потоке отличается от средней энергии в состоянии равновесия.

Эффект Зеебека, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер.

Так как в электрических схемах и приборах всегда имеются спаи и контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникают термоэдс, которые необходимо учитывать при точных измерениях.

С другой стороны, термоэдс находит широкое практическое применение. Эффект Зеебека в металлах используется в термопарах для измерения температур. Что касается термоэлектрических генераторов, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, то в них используются полупроводниковые термоэлементы, обладающие гораздо большими термоэдс.

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара – термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры .

Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М 1 и М 2 . В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С.

Эффект Зеебека - явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи , состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников , контакты между которыми находятся при различных температурах .

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой .

  Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего ( T 1 {\displaystyle T_{1}} ) и холодного ( T 2 {\displaystyle T_{2}} ) контактов.

  В небольшом интервале температур термо-ЭДС E {\displaystyle E} можно считать пропорциональной разности температур:

  E = α 12 (T 2 − T 1) , {\displaystyle E=\alpha _{12}(T_{2}-T_{1}),} где - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

  В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры α 12 {\displaystyle \alpha _{12}} меняет знак.

  Более корректное выражение для термо-ЭДС:

  E = ∫ T 1 T 2 α 12 (T) d T . {\displaystyle {\mathcal {E}}=\int \limits _{T_{1}}^{T_{2}}\alpha _{12}(T)dT.}

  Величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 °С и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий - 0,643 мВ, нихром-никель - 4,1 мВ) .

  Объяснение эффекта

  Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

  Объёмная разность потенциалов

  Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках , в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд , а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

  ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС .

  Контактная разность потенциалов

  Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов :

  U = F 2 − F 1 e {\displaystyle U={\frac {F_{2}-F_{1}}{e}}} , где F {\displaystyle F} - энергия Ферми, e {\displaystyle e} - заряд электрона .

  На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах - от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом - против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

  Если температура одного из контактов изменится на dT , то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

  Данная ЭДС называется контактная ЭДС .

  Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термо-ЭДС исчезают.

  Фононное увлечение

  Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов , движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем - положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

  Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термо-ЭДС, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше.

  Заключается в возникновении электродвижущей силы ЭДС (термоЭДС) в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, если места контактов поддерживают при разных температурах. Открыт Т. И. Зеебеком в 1821 г. Эффект Зеебека используется в термометрии и для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрических генераторах .

  Термоэлемент, составленный из двух различных проводников, образующих замкнутую цепь, является термопарой . При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим. Если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах разомкнутой цепи появится разность потенциалов, называемая термоЭДС. Это и есть проявление эффекта Зеебека. При эффекте Зеебека в разомкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, когда один контакт проводников имеет температуру, отличную от температуры другого контакта, на концах цепи, имеющих одинаковую температуру, возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности температур контактов.

  В относительно небольшом температурном интервале величина термоЭДС Е пропорциональна разности температур контактов (спаев):

  Е»a Т (Т 2 -Т 1) .

  Коэффициент пропорциональности Т для термопары называется термоэлектрической способностью пары (термосилой, коэффициентом термоэдс, или удельной термоэдс). В общем случае коэффициент пропорциональности Т называется относительной дифференциальной термоЭДС. Его значение зависит от природы соприкасающихся проводников и от температуры. В некоторых случаях с изменением температуры Т меняет знак. Величина Т , называемая также коэффициентом Зеебека, является количественной характеристикой эффекта Зеебека: Т - это электродвижущая сила, возникающая в замкнутой цепи, состоящей из двух металлов, при разности температур между контактами в 1К. Обычно в цепи, состоящей из металлов, величина Т достигает несколько десятков микровольт на Кельвин, в цепи из полупроводников значение Т на два-три порядка выше.

  Причина возникновения термотока и термоЭДС заключается в том, что на контактах возникают внутренние контактные разности потенциалов, вызванные различием концентрации носителей. Эти разности потенциалов скомпенсированы до тех пор, пока температуры контактов одинаковы. Как только возникает различие температур контактов, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток, так как компенсация нарушается. Эффект возникает вследствие зависимости энергии свободных электронов или дырок от температуры. В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Так как вдоль однородного проводника имеется градиент температур, то возникает диффузия носителей: у охлажденного конца концентрация носителей повышается, что приводит к дополнительному изменению термотока.

  В общем случае термоЭДС в контуре складывается из трех составляющих. Первая составляющая обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, вторая - диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным, третья составляющая возникает вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии - фононами , поток которых также распространяется к холодному концу. Удельная термоЭДС металлов невелика, и основной вклад в величину термоЭДС в цепи, состоящей из металлов, вносят разности потенциалов.

  Для полупроводников основной причиной, вызывающей усиление термотока в эффекте Зеебека, является диффузия носителей. В дырочных полупроводниках на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем остается нескомпенсированный отрицательный заряд (если только аномальный механизм рассеяния или эффект увлечения не приводят к перемене знака термоЭДС). В термоэлементе, состоящем из дырочного и электронного полупроводников, термоЭДС складываются. В полупроводниках со смешанной проводимостью к холодному контакту диффундируют и электроны и дырки, и их заряды взаимно компенсируются. Если концентрации и подвижности электронов и дырок равны, то термоЭДС равна нулю.

  Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Явление Зеебека широко используется для измерения температур и для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.

  ЗЕЕБЕКА ЭФФЕКТ - возникновение эдс (термоэдс) в электрич. контуре, состоящем из двух проводников А и В , контакты между к-рыми поддерживаются при разных темп-pax T 1 и Т 2 . Открыт в 1821 Т. И. Зеебеком (Th. J. Seebeck). 3. э. используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую (термоэлектрогенераторы) и в термометрии . контура определяется ф-лой:

  Где S A п S B наз. абсолютными термоэдс (дифференц. термоэдс, коэф. термоэдс) проводников А и В , Абс. термоэдс - характеристика проводника, равная S=du/dT , где и - эдс, возникающая в проводнике при наличии в нём градиента темп-р. 3. э. связан с др. термоэлектрическими явлениями (Пельтье эффектом и Томсона эффектом )соотношениями Кельвина:
  
  где r и П - коэф. Томсона и Пельтье. Градиент темп-ры создаёт в проводнике градиент концентраций "холодных" и "горячих" носителей . В результате этого возникают два диффузионных потока носителей - вдоль и против градиента темп-ры. Т. к. скорости и концентрации "горячих" и "холодных" носителей заряда различны, то на одном конце проводника создаётся избыточный положит. заряд, а на другом - отрицательный. Поле этих зарядов приводит к установлению стационарного состояния: число носителей, проходящих через поперечное сечение образца в обоих направлениях, одинаково. Возникающая диффузионная термоэдс определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью m, обусловленной характером их взаимодействия с фононами ,примесями и т. д. В металлах вырожден и термоэдс определяется только различием подвижностей "горячих" и "холодных" электронов. В полупроводниках термоэдс обусловлена зависимостью от Т как подвижности, так и концентрации электронов и дырок. Обычно вклад в термоэдс, связанный с температурной зависимостью концентрации носителей, превышает вклад, обусловленный различием в m(T ), хотя последний в полупроводниках (вследствие Больцмана распределения носителей) на неск. порядков больше, чем в металлах. Именно поэтому термоэдс в полупроводниках значительно выше, чем в металлах. Теоретическое описание . Выражение для термоэдс может быть получено из кинетич. ур-ния Больцмана:
  
  где величины К 1 п К 0 определяются ф-лой:
  
  Здесь v - скорость носителей (i , j = x, у, z ), t - время их релаксации, h - химический потенциал f , 0 - ф-ция распределения Ферми, е - заряд носителей, E - их энергия, k - . Для металлов выражение (3) принимает вид:
  
  где s(E) - проводимость при T=К . С помощью (4) может быть описана термоэдс кристаллич., аморфных и жидких металлов. Для металлов величина S порядка kT/ h, т. к., с одной стороны, электронный газ вырожден и только малая часть электронов (порядка kT/ h )участвует в диффузионном токе, с др. стороны, для большинства механизмов рассеяния зависимость проводимости от энергии слабая:
  
  Однако существуют механизмы релаксации, для к-рых термоэдс в металлах порядка k/e . К ним относятся процессы асимметричного упругого и неупругого рассеяния электронов в ферромагнетиках с немагнитными примесями; процессы интерференции рассеяния, независящего от спинового взаимодействия электронов с примесью в кондо-решётках. В этих случаях [д ln s(E)/д lnE] E = h ~h/kТ . В приближении t=t 0 E r , где r - параметр, зависящий от природы процессов рассеяния, из (3) следует:
  
  Для полупроводников в случае квадратичного изотропного дисперсии закона носителей из (3) следует:
  
  Знак термоэдс определяется знаком носителей заряда. Первый член суммы в (6) связан с изменением подвижности, а второй - с изменением концентрации носителей. Аналогичный вид имеет зависимость S(Т )для аморфных и стеклообразных полупроводников . Влияние "увлечения" электронов фононами и магнонами . Диффузионная термоэдс рассматривалась выше в предположении, что фононная система находится в равновесии. В действительности наличие градиента темп-ры вызывает отклонение фононной системы от равновесия - возникает поток фоноиов от "горячего" конца проводника к "холодному". Взаимодействуя с электронной системой, они передают им свой избыточный импульс, в результате чего возникает дополнит. т. н. термоэдс фононного увлечения S ф (см. Увлечение электронов фононами ,). Она определяется характером электронно-фононного взаимодействия и зависит от др. механизмов рассеяния фононов. Если фононная система полностью релаксирует на электронах (эффект "насыщения"), то при T<< q D (q D - Дебая температура S ) ф ~T - 1 . S ф ~T 3 как для металлов, так и для полупроводников. Если же фононы взаимодействуют не только с электронами, но и друг с другом, зависимость S ф (T) иная. В металлах при T>>q D . В полупроводниках электроны взаимодействуют только с длинноволновыми фононами (см. Рассеяние носителей заряда в полупроводниках), а S ф определяется их взаимодействием с коротковолновыми фононами, к-рым длинноволновые фононы передают свой импульс:
  
  Два значения п соответствуют двум механизмам фонон-фононной релаксации, в к-рых либо учитывается (n =1), либо не учитывается (п= 2 )затухание тепловых фононов. При низких темп-pax гл. роль играют процессы рассеяния на границах образца: S ф ~D T 3/2 , где D - характерный размер образца. В магнетиках существует эффект "увлечения" электронов магнонами, к-рый также вносит вклад в термоэдс (см. Спиновые волны ). Для металлов с многолистной ферми-поверхностъю и полупроводников с многозонным характером проводимости выражения для диффузионной термоэдс и термоэдс увлечения обобщаются:
  
  Здесь s i и S i - парциальные вклады в проводимость и термоэдс i -го листа поверхности Ферми или i -й энергетич. зоны. 3. э. в сверхпроводниках . Под действием градиента темп-ры в сверхпроводниках появляется объёмный ток нормальных возбуждений по природе такой же, как и в обычных проводниках. Этот ток обусловливает объёмный ток куперовских пар, к-рый компенсирует ток нормальных возбуждений. Т. к. полный объёмный ток равен 0, а электрич. поле в сверхпроводниках отсутствует, исследовать термоэдс, связанную с нормальными возбуждениями в сверхпроводниках, можно, измеряя сверхпроводящую компоненту тока. Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982; Цидильковский И. М., Термомагнитные явления в полупроводниках, М., 1960; Зырянов П. С., К л и н г е р М. И., Квантовая теория явления электронного переноса в кристаллических полупроводниках, М., 1976; Термоэлектродвижущая сила металлов, пер. с англ., М., 1980; Абрикосов А. А., Основы теории металлов, М., 1987. И. М. Цидильковский , В . А. Матвеев .

  Основной способ добычи электричества в большом количестве в настоящее время осуществляется за счет явления электромагнитной индукции, которое предполагает механическое движение проводника в магнитном поле. Однако существует другой способ получения этого вида энергии: с помощью температуры. Чтобы понять, в чем заключается суть этого процесса, следует рассмотреть эффект Зеебека.

  Термоэлектрические процессы

  В физике под этой фразой понимают процессы обратимого характера, которые связаны с явлениями переноса заряда (электрический ток) и тепла (теплопроводность). Выделяют три разных термоэлектрических явления, которые связаны между собой. Это эффекты:

  • Зеебека;
  • Пельтье;
  • Томсона (Кельвина).

  Отметим, что эффект Джоуля, который заключается в излучении проводником тепла, когда по нему проходит ток, не включен в список выше, поскольку он является необратимым процессом.

  Открытие Томаса Иоганна Зеебека

  В 1821 году эстонско-немецкий физик Томас Зеебек провел один любопытный эксперимент: он соединил между собой две пластины, которые были изготовлены из разных материалов (висмут и медь) в замкнутый контур. Затем он нагрел один из контактов. Ученый наблюдал, что магнитная стрелка компаса, который находился поблизости от проводящего контура, начала изменять свое направление. В итоге ученый решил, что два материала (медь и висмут) поляризуются по-разному в результате действия тепла, поэтому определил открытый эффект как термомагнитный, а не термоэлектрический.

  Впоследствии уже датский ученый Ханс Эрстед дал правильное объяснение открытому Зеебеком эффекту, назвав его термоэлектрическим процессом.

  Суть открытого эффекта

  
  

  Из пункта выше можно самостоятельно сделать вывод о том, что представляет собой это термоэлектрическое явление. Его суть заключается в следующем: если соединить два любых материала между собой в один контур и подвергнуть их контакты разности температуры, то в контуре потечет ток.

  Заметим, что для наблюдения этого эффекта должны выполняться следующие условия:

  • Наличие замкнутого контура (электрический ток не существует в разорванной цепи).
  • Наличие контакта из двух разнородных металлов (если проводники, приводимые в контакт, будут сделаны из одного материала, то никакой разности потенциалов не будет наблюдаться). Этими материалами могут быть такие пары, как металл и другой металл, металл и полупроводник или два полупроводника разного типа (p и n).
  • Наличие разности температур между двумя контактами проводников. Эта разность лежит в основе явления возникновения ЭДС (сила электродвижущая). Отметим, что нагревать (охлаждать) следует именно контакт двух материалов, а не какой-либо один из них.

  Физическое объяснение эффекта

  
  

  Описанный термоэлектрический эффект является достаточно непростым явлением. Для его понимания рассмотрим систему, состоящую из медного и железного проводников, соединенных между собой. Обратим внимание на процессы, которые происходят в зоне контакта Cu-Fe, которая нагревается. Приобретая дополнительную кинетическую энергию, электроны в области нагрева создают более высокое "давление" электронного газа, поэтому стремятся убежать из нее к более холодному концу контура. Наоборот, контакт Cu-Fe, который охлаждается, вызывает потерю кинетической энергии носителей заряда, это ведет к снижению создаваемого ими давления в зоне контакта. Последний факт приводит к привлечению в холодную область свободных носителей заряда.

  Если бы металлы в контакте были одинаковыми, то скорости дрейфа электронов в результате разности температур были бы одинаковыми, а их направления в каждом проводнике - противоположными, то есть никакой разности потенциалов бы не возникло. Но поскольку металлы имеют разную природу, то они различным образом реагируют на нагрев (изменение "давления" электронов и скорость их дрейфа разные для Fe и Cu). В этом и заключается причина появления ЭДС в зоне контакта.

  Отметим, что при объяснении физики процесса использовалась аналогия с идеальным газом.

  Направление возникающего термотока, а также его величина определяются природой металлов, разницей температур контактов, а также особенностями самой электрической замкнутой цепи.

  Если рассмотреть физику процесса для пары металл-полупроводник, то она не будет отличаться от таковой для рассмотренной пары металл-металл. Приложение разности температур к двум контактам металла с полупроводником вызывает в последнем поток электронов (n-тип) или дырок (p-тип) от горячей области к холодной, что приводит к появлению разности потенциалов.

  Если не поддерживать разность температур за счет отвода тепла от холодной зоны и его подвода к горячему контакту, то в цепи быстро устанавливается термодинамическое равновесие, и ток прекращает течь.

  Математическое описание рассматриваемого явления

  Разобравшись, в чем заключается эффект Зеебека, можно перейти к вопросу его математического описания. Здесь главной величиной является так называемый коэффициент Зеебека. Он выражается формулой:

  SAB = (V2-V1)/(T2-T1) = ΔV/ΔT.

  Здесь V2 и V1 - значения электрических потенциалов в области горячего и холодного контактов, T2-T1 - разность температур этих контактов, A и B - это два материала рассматриваемой замкнутой цепи.

  Физический смысл коэффициента SAB заключается в том, что он показывает, какую ЭДС можно получить, если приложить разность температуры к контактам равную 1 кельвин. Типичные значения SAB для современных термоэлектрических материалов равны несколько десятков или сотен микровольт на кельвин.

  Коэффициент SAB не является постоянной величиной для проводников A и B, он зависит от температуры.

  КПД процесса

  Это самый интересный и актуальный вопрос, который касается рассмотренного термоэлектрического эффекта. Если, приложив разность температур к цепи, можно получать электричество, тогда это явление можно использовать вместо распространенных генераторов, основанных на электромагнитной индукции. Этот вывод верен, если КПД эффекта Зеебека достаточно высок.

  Для оценки КПД принято использовать следующее выражение:

  Здесь ρ - удельное электрическое сопротивление, λ - коэффициент теплопроводности, Z - фактор эффективности термоэлектрического явления.

  Понять это выражение несложно: чем больше коэффициент Зеебека, чем выше подвижность носителей заряда (меньше сопротивление) и чем меньше теплопроводность материала (она способствует выравниванию градиента температуры за счет переноса заряда и за счет движения фононов решетки), тем будет выше производительность цепи как генератора электричества.

  Значения Z*T для металлов обычно невысоки, поскольку величина λ является большой. С другой стороны, изоляторы также нельзя использовать из-за их огромных значений ρ. Золотой серединой стало применение полупроводников.

  В настоящее время для разных температур получены значения Z*T≈1, что означает следующее: примерно 10 % от затрачиваемого тепла переходит в электрическую энергию (КПД = 10 %). Чтобы этот эффект по эффективности выработки электричества мог конкурировать с современными способами его получения, необходимо разрабатывать материалы, для которых Z*T будет составлять 3-4.

  Где используют этот эффект

  
  

  Самым популярным направлением его использования являются инструменты для измерения температуры, которые называются термопарами. Если температура одного конца термопары известна (комнатная), то, погрузив ее второй конец в тело, температуру которого следует определить, и измеряя при этом полученную ЭДС, можно легко найти неизвестную величину.

  Согласно последним новостям, две немецких автомобильных компании (Volkswagen и BMW) заявляют, что начали применять этот эффект для повышения КПД бензинового двигателя. Идея заключается в использовании выбрасываемого из выхлопной трубы тепла для генерации термоэлектричества. По заявлениям представителей этих компаний, таким способом они уже смогли уменьшить расход бензина на 5 %.

  
  

  Серия зондов "Вояджер", миссия которых заключается в изучении окружающего нас космоса, использует для питания своей электроники эффект Зеебека. Дело в том, что солнечные батареи за пределами орбиты Марса использовать нельзя ввиду низкой плотности энергии от Солнца. На борту "Вояджера" установлен термоэлектрический генератор на изотопах плутония: радиоактивный оксид плутония распадается с выделением теплоты, которая используется парой полупроводниковых материалов (SiGe) для преобразования в электричество.

  Спиновый эффект

  Недавно ученые открыли интересное явление: если нагревать магнитный контакт пары Ni-Fe, то спины электронов во всем материале ориентируются определенным образом, что создает магнитное поле. Это явление получило название спинового эффекта Зеебека. Его можно использовать для создания магнитных полей без участия электрического тока.

  Эффект Пельтье

  
  

  Так называется явление, которое было открыто в 1834 году французом Жаном Пельтье. Его суть заключается в том, что если через контакт разных материалов пропускать электрический ток, то он будет либо нагреваться, либо охлаждаться в зависимости от направления движения носителей заряда. Его используют в так называемой ячейке Пельтье, способной нагревать или охлаждать окружающие объекты, например, воду, когда ее подключают к разности потенциалов (электрической цепи).

  Таким образом, эффекты Пельтье и Зеебека обратны друг другу.

  Эффект Томсона (Кельвина)

  
  

  Он также входит в список термоэлектрических явлений. Открыл его лорд Кельвин (Уильям Томсон) в 1851 году. Он объединяет явления, наблюдаемые Пельтье и Зеебеком. Суть эффекта Томсона следующая: если на концах проводника создать разную температуру, а затем приложить к ним напряжение, то проводник начнет обмениваться теплом с окружающей средой. То есть он может не только его выделять, но и поглощать, что зависит от полярности потенциалов и разности температур на концах.

  Отличие этого эффекта от двух предыдущих заключается в том, что он реализуется на одном, а не на двух разных проводниках.

  Все три термодинамических эффекта связаны математически друг с другом.