8.4.5. Эффект Пельтье

Пельтье экспериментально обнаружил изменение температуры контакта двух кристаллических решеток (двух металлов) при пропускании постоянного тока. На общем фоне выделения тепла, согласно закону Джоуля – Ленца, одни спаи дополнительно нагревались, а другие – охлаждались. Рассмотрим это явление с физической точки зрения. Пусть электрическое поле направлено слева направо внутри системы кристаллов 1-2-3 (рис.8.14).

Уровни Ферми различны в различных кристаллических решетках. При переходе электрона из кристаллической решетки с большим уровнем Ферми в кристаллическую решетку с меньшим уровнем Ферми происходит выделение теплоты , т.к. электрон отдает излишек энергии кристаллической решетке. При переходе в обратном направлении происходит поглощение теплоты, т.к. энергия электронов повышается за счет энергии колебаний атомов кристаллической решетки.

Эффект Пельтье обратим: при пропускании тока в обратном направлении нагреваемый и охлаждаемый спаи меняются ролями.

Из сказанного ясно, что количество выделившегося (поглощенного) тепла пропорционально заряду, перешедшему границу раздела:

, (8.40)

где – коэффициент Пельтье.

Коэффициент Пельтье () определяется разностью уровней Ферми и достигает максимального значения для зоны контакта p-n - перехода полупроводников.

Эффект Пельтье нашел практическое применение для создания полупроводниковых холодильников, используемых главным образом в приборостроении.

8.4.6. Явление Зеебека

Зеебек в 1824 г. экспериментально обнаружил появление тока в цепи разнородных металлов за счет разности температур спаев. Было получено

. (8.41)

Однако в широком интервале температур эта зависимость оказалась нелинейной. Для различных термопар коэффициент пропорциональности имеет различное значение.

Возникновение термоЭДС, с точки зрения теории Френкеля-Зоммерфельда, обусловлено двумя факторами: перемещением электронов от нагретой части кристалла к охлажденной и перемещением электронов через границу контакта двух металлов (рис. 8.15).

Первый фактор обусловлен наличием градиента концентрации "горячих" электронов. Вследствие чего электроны с горячего конца решетки будут переходить на свободные уровни холодного конца кристаллической решетки. Эту составляющую термоЭДС называют диффузионной.

Второй фактор обусловлен переходом электронов из кристалла с большего уровня Ферми в кристалл с меньшим уровнем Ферми. При этом образуется двойной электрический слой, который препятствует дальнейшему переходу электронов. Возникает скачок потенциала (рис. 8.16):

и

. (8.42)

За счет различия абсолютных значений и появляется контактная составляющая термоЭДС:

. (8.43)

Обе составляющие термоЭДС в первом приближении находятся в линейной зависимости от разности температур . Этим объясняется линейная зависимость термоЭДС от разности температур спаев.

Если цепь составлена из ряда различных металлических проводников, включенных последовательно (рис. 8.17), то термоЭДС определяется только крайними проводниками.

Явление Зеебека применяется для измерения температур по величине термоЭДС. При разработке микросхем, электронной аппаратуры необходимо учитывать возможность возникновения термоЭДС, влияющих на работу схем, осуществлять термостатирование.