Эфект Зеебека

З пляцоўкі Вікіпедыя
Jump to navigation Jump to search
Тэрмаэлектрычны генератар (на элементах Пельцье) складаецца з матэрыялаў з рознымі каэфіцыентамі Зеебека (p- і n-паўправаднікоў). Пры зняцці нагрузкі, ток спыняецца, і схема функцыянуе як тэрмапара.

Эфект Зеебека — з'ява ўзнікнення ЭРС у замкнёным электрычным ланцугу, які складаецца з паслядоўна злучаных разнастайных праваднікоў, кантакты паміж якімі знаходзяцца пры розных тэмпературах.

Эфект Зеебека таксама часам называюць проста тэрмаэлектрычным эфектам.

Гісторыя[правіць | правіць зыходнік]

Дадзены эфект быў адкрыты ў 1821 г. Т. Ё. Зеебекам. У 1822 годзе ён апублікаваў вынікі сваіх вопытаў у артыкуле «Да пытання аб магнітнай палярызацыі некаторых металаў і руд, якая ўзнікае ва ўмовах рознасці тэмператур», апублікаванай у дакладах Прускай акадэміі навук.[1]

Апісанне[правіць | правіць зыходнік]

Эфект Зеебека складаецца ў тым, што ў замкнёным ланцугу, які складаецца з разнастайных праваднікоў, узнікае тэрма-ЭРС, калі месца кантактаў падтрымліваюць пры розных тэмпературах. Ланцуг, якая складаецца толькі з двух розных праваднікоў, называецца тэрмаэлементам або тэрмапарай.

Велічыня тэрма-ЭРС, якая ўзнікае, ў першым набліжэнні залежыць толькі ад матэрыялу праваднікоў і тэмператур гарачага () і халоднага () кантактаў.

У невялікім інтэрвале тэмператур тэрма-ЭРС можна лічыць прапарцыянальнай рознасці тэмператур:

дзе  — тэрмаэлектрычная здольнасць пары (або каэфіцыент тэрма-ЭРС).

У найпрасцейшым выпадку каэфіцыент тэрма-ЭРС вызначаецца толькі матэрыяламі праваднікоў, аднак, строга кажучы, ён залежыць і ад тэмпературы, і ў некаторых выпадках, са змяненнем тэмпературы змяняе знак.

Больш карэктны выраз для тэрма-ЭРС:

Велічыня тэрма-ЭРС складае мілівольты пры рознасці тэмператур у 100 К і тэмпературы халоднага спая у 0 °C (напрыклад, пара медзь-канстантан дае 4,25 мВ, плаціна-родый — 0,643 мВ, ніхром-нікель — 4,1 мВ)[2].

Тлумачэнне эфекту[правіць | правіць зыходнік]

Ўзнікненне эфекту Зеебека выклікана некалькімі складнікамі.

Розная залежнасць сярэдняй энергіі электронаў ад тэмпературы ў розных рэчывах[правіць | правіць зыходнік]

Калі ўздоўж правадніка існуе градыент тэмператур, то электроны на гарачым канцы набываюць больш высокія энергіі і хуткасці, чым на халодным; у паўправадніках у дадатак да гэтага канцэнтрацыя электронаў праводнасці расце з тэмпературай. У выніку ўзнікае паток электронаў ад гарачага канца да халоднага і на халодным канцы назапашваецца адмоўны электрычны зарад, а на гарачым застаецца нескампенсаваны дадатны зарад. Працэс назапашвання зарада працягваецца да таго часу, пакуль рознасць патэнцыялаў, якая ўзнікла, не выкліча паток электронаў у зваротным кірунку, роўны першаснаму, дзякуючы чаму ўсталюецца раўнавага.

ЭРС, узнікненне якой апісваецца дадзеных механізмам, называецца аб'ёмнай ЭРС.

Розная залежнасць ад тэмпературы кантактнай рознасці патэнцыялаў[правіць | правіць зыходнік]

Кантактная рознасць патэнцыялаў выкліканая адзнакай энергій Фермі ў розных праваднікоў, якія кантактуюць. Пры стварэнні кантакту хімічныя патэнцыялы электронаў становяцца аднолькавымі, і ўзнікае кантактная рознасць патэнцыялаў, роўная

, дзе  — энергія Фермі,  — зарад электрона.

На кантакце тым самым існуе электрычнае поле, лакалізаванае ў тонкім прыкантактным пласце. Калі скласці замкнёны ланцуг з двух металаў, то U ўзнікае на абодвух кантактах. Электрычнае поле будзе накіравана аднолькавым чынам у абодвух кантактах — ад большага F да меншага. Гэта значыць, што калі здзейсніць абыход па замкнёным контуры, то ў адным кантакце абыход будзе адбывацца па полі, а ў іншым — супраць поля. Цыркуляцыя вектара Е тым самым будзе роўная нулю.

Калі тэмпература аднаго з кантактаў зменіцца на dT, то, паколькі энергія Фермі залежыць ад тэмпературы, U таксама зменіцца. Але калі змянілася ўнутраная кантактная рознасць патэнцыялаў, то змянілася электрычнае поле ў адным з кантактаў, і таму цыркуляцыя вектара Е будзе адрознівацца ад нуля, гэта значыць з'яўляецца ЭРС ў замкнёным ланцугу.

Дадзеная ЭРС называецца кантактная ЭРС.

Калі абодва кантакты тэрмаэлемента знаходзяцца пры адной і той жа тэмпературы, то і кантактная, і аб'ёмная тэрма-ЭРС знікаюць.

Фаноннае захапленне[правіць | правіць зыходнік]

Калі ў цвёрдым целе існуе градыент тэмпературы, то лік фанонаў, якія рухаюцца ад гарачага канца да халоднага, будзе больш, чым у зваротным кірунку. У выніку сутыкненняў з электронамі фаноны могуць захапляць за сабой апошнія і на халодным канцы ўзору будзе назапашвацца адмоўны зарад (на гарачым — дадатны) да таго часу, пакуль рознасць патэнцыялаў, якая ўзнікла, не ўраўнаважыць эфект захаплення.

Гэтая рознасць патэнцыялаў і ўяўляе сабой 3-і складнік тэрма-ЭРС, які пры нізкіх тэмпературах можа быць у дзясяткі і сотні разоў больш разгледжаных вышэй. У магнетыках назіраецца дадатковы складнік тэрма-ЭРС, абумоўленая эфектам захаплення электронаў магнонамі.

Ўжываецца для стварэння тэрмадатчыка (напрыклад, у камп'ютарах). Такія датчыкі мініяцюрныя і вельмі дакладныя.

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі

  1. Термоэлектричество, эффект Пельтье, эффект Зеебека
  2. Кухлинг Х. Справочник по физике. — М. : Мир. — 1982. — С. 374—375.

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]