Эфект Зеебека

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

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.

Апісанне

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 ($T_{1}$) і халоднага ($T_{2}$) кантактаў.

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

$E=\alpha _{12}(T_{2}-T_{1}),$ дзе $\alpha _{12}$ — 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 $\alpha _{12}$ змяняе знак.

Больш карэктны выраз для тэрма-ЭРС:

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

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).

Тлумачэнне эфекту

Ўзнікненне эфекту Зеебека выклікана некалькімі складнікамі.

Розная залежнасць сярэдняй энергіі электронаў ад тэмпературы ў розных рэчывах

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

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

$U={\frac {F_{2}-F_{1}}{e}}$, дзе $F$ — энергія Фермі, $e$ — 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

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

• История открытия термоэлектрического эффекта Архівавана 19 ліпеня 2009.
• Эфект Зеебека на відэа

Гл. таксама

• Эфект Пельцье
• Эфект Томсана
• Тэрмаэлектрычныя з’явы
• Спінавы эфект Зеебека
• Тэрмапара