Термоэлектрические явления

Термоэлектрические явления

Прежде чем изучать эту лекцию, стоит изучить лекцию о теории Друде.

Термоэлектрические явления это совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. В некоторой степени все эти эффекты одинаковы, поскольку причина всех термоэлектрических явлений — нарушение теплового равновесия в потоке электроносителей.

К термоэлектрическим явлениям относятся:

1) Эффект Зеебека.

2) Эффект Пельтье.

3) Эффект Томсона. (который, мы в этой лекции обсуждать не будем)

Для начала обсудим несколько базовых эффектов.

Контактная разность потенциалов

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Это явление было открыто Вольтой в 1797 г. Исследуя различные металлы, Вольта расположил их в следующий ряд:

\mathrm{Al}, \mathrm{Zn}, \mathrm{Sn}, \mathrm{Pb}, \mathrm{Sb}, \mathrm{Bi}, \mathrm{Hg}, \mathrm{Fe}, \mathrm{Cu} , \mathrm{Ag}, \mathrm{Au}, \mathrm{Pt}, \mathrm{Pd} . Он нашел, что если металлы в указанной последовательности привести в контакт друг с другом, то при этом каждый предыдущий металл получит более высокий потенциал, чем последующий. Далее, Вольта установил, что если несколько металлов 1,2, \ldots, n привести в контакт друг с другом (рис.), то разность потенциалов \varphi_n-\varphi_1 между крайними металлами не будет зависеть от того, какими промежуточными металлами они разделены.

тя1 Это положение называется законом последовательных контактов Вольты. Для справедливости его необходимо, чтобы все контактирующие металлы находились при одной и той же температуре.

Контактная разность потенциалов в вольтах колеблется для различных пар металлов от нескольких десятых до нескольких единиц. Как и работа выхода электронов, она сильно изменяется даже при ничтожных загрязнениях поверхностей соприкасающихся металлов, их окислении и т. п. Поэтому для получения верных значений контактных разностей потенциалов исследуемые вещества и их поверхности необходимо тщательно очищать, а измерения вести в вакууме.

Эффект Зеебека

Согласно закону последовательных контактов Вольты в замкнутой цепи, состоящей из нескольких (например, трех) металлов или полупроводников, не происходит возбуждения электрического тока, если все тела цепи находятся при одной и той же температуре. Если, однако, температуры в местах контактов разные, то в цепи появляется электрический ток. Этот ток называєтся термоэлектрическим, а сам эффект зачастую называется эффектом Зеебека. Явление термоэлектрического тока было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком ( 1770-1831 ), который его подробно исследовал, хотя и дал неправильное истолкование существа своего открытия.

Металл или полупроводник, к которому идет ток через более нагретый спай термоэлектрической пары, называется положительным, а другой – отрицательным. Первый играет роль анода, а второй – катода. Так, в термоэлектрической паре медь-сурьма сурьма будет положительной, а медь отрицательной. По этому признаку Зеебек, а затем и другие исследователи расположили металлы в так называемый термоэлектрический ряд, аналогичный ряду Вольты.

Электродвижущая сила всякой термопары складывается из электродвижущих сил обоих ее спаев. Электродвижущая сила одного спая зависит от рода контактирующих металлов и от температуры. Если обозначить ее через f(t) , то электродвижущая сила термопары представится разностью

\varepsilon=f\left(t_1\right)-f\left(t_2\right), где t_1 - температура более, а t_2 - менее нагретого спаев.

Производная \alpha=df/ d t называется коэффициентом термоэлектродвижущей силы. Как и функция f , коэффициент \alpha является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Для избежания их условились величину \alpha измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который принимается свинец. Это означает, что \alpha измеряется для термопары, у которой одна ветвь составлена из исследуемого материала, а другая - из свинца. Коэффициент термоэлектродвижущей силы \alpha_{12} металла 1 по отношению к металлу 2 определится формулой \alpha_{12}=\alpha_1-\alpha_2,

где \alpha_1 и \alpha_2 - значения коэффициентов термоэлектродвижущей силы металлов 1 и 2 соответственно по отношению к свинцу. Все эти величины зависят от чистоты материалов и сильно меняются с добавлением примесей.

Простейшей является линейная функция f(t)=f_0+\alpha t . В этом случае

\varepsilon = \alpha\left(t_1-t_2\right). Существуют пары металлов, для которых такая простая формула оправдывается в довольно широких пределах. K ним относятся, например, термопары: (\mathrm{Cu}, \mathrm{Bi}),(\mathrm{Ag}, \mathrm{Cu}),(\mathrm{Au}, \mathrm{Cu}),(\mathrm{Pt}, \mathrm{Fe}) .

Для других термопар зависимость f от t более сложная, например: f(t)=f_0+\alpha t+\beta t^2 , где \alpha и \beta - постоянные. В этом случае

\varepsilon=\alpha\left(t_1-t_2\right)\left[1+\frac{\beta}{\alpha}\left(t_1+t_2\right)\right]. K формуле такого вида пришел М. П. Авенариус (1835-1895) на основе анализа экспериментальных данных. Согласно формуле выше величина \varepsilon обращается в нуль при t_1=t_2 и при t_1+t_2=-\alpha / \beta . Величина \tau=1 / 2\left(t_1+t_2\right) называется температурой нейтральной точки. Если при неизменном значении t_2 повышать температуру t_1 , то \varepsilon будет возрастать по параболическому закону, достигнет максимума при t_1=\tau , а затем обратится в нуль и изменит знак при температуре t_1=2 \tau-t_2 . Температура t_1=2 \tau-t_2 , при которой величина \varepsilon проходит через нуль, называется точкой инверсии.