Эффект Зеебека

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Термоэлектрический генератор (на элементах Пельтье) состоит из материалов с различными коэффициентами Зеебека (p- и n-полупроводников). При снятии нагрузки ток прекращается, и схема функционирует как термопара.

Термоэлемент из электронных проводников (чаще всего металлов) А и В, спаи (границы фаз) которых имеют абсолютные температуры T₁ и T₂; V — измерительный прибор

Работающий на эффекте Зеебека чувствительный элемент пожарного извещателя. Кружки на половине из термопар — коллекторы из серебра

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом. Эффект, обратный эффекту Зеебека, называется эффектом Пельтье.

История

Данный эффект был открыт в 1821 Т. И. Зеебеком. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук.

Описание

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 холодного ($T_{1}$) и горячего ($T_{2}$) контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС $E$ можно считать пропорциональной разности температур:

$E=\alpha _{12}(T_{2}-T_{1}),$

где $\alpha _{12}$ — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

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

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

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

Величина термо-ЭДС составляет единицы милливольт на 100 °С разности температур спаев. Например, пара медь-константан даёт 4,28 мВ/100 °С, хромель-алюмель — 4,1 мВ/100 °С.

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

Основная статья: 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:

$U={\frac {F_{2}-F_{1}}{e}},$

где $F$ — энергия Ферми,

$e$ — 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

Основная статья: Электрон-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.

Магнонное увлечение

В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термо-ЭДС, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

Использование

• Термоэлектрические преобразователи
• Термоэлектрогенераторы.

См. также

• Эффект Пельтье
• Эффект Томсона
• Термоэлектрические явления
• Термопара
• Спиновый эффект Зеебека
• Термогенерация

Ссылки

•  Видео: эффект Зеебека (термопара) // Официальный канал НИЯУ МИФИ @Youtube (11 ноября 2015 г.).
• Аккумуляторы уходят в прошлое: новый материал генерирует электричество из тепла // Новости Hi-Tech @Mail.ru (ноябрь, 2019 г.).