4. Термоэлектрические явления.

Эффект Пельтье. Этот эффект, открытый Пельтье в 1834 г., заключается в том, что при про­текании тока через цепь, составленную из разнород­ных металлов или полупроводников, в одних спаях происходит выделение, а в других — поглощение теп­лоты. Таким образом, эффект Пельтье оказывается обратным эффекту Зеебека.

Экспериментально найдено, что количество выде­лившейся или поглотившейся в спае теплоты пропор­ционально заряду q, прошедшему через спай:

(индексы указывают, что ток течет от звена А к зве­ну В). Коэффициент пропорциональности П_ав назы­вается коэффициентом Пельтье.

Следует, что, в отличие от теплоты Джо­уля— Ленца, теплота Пельтье пропорциональна не квадрату, а первой степени силы тока.

При перемене направления тока Q изменяет знак, т. е. вместо выделения (поглощения) теплоты наблю­дается поглощение (выделение) такого же количества теплоты (при том же q). Следовательно,

В случае контакта двух веществ с одинаковым ви­дом носителей тока (металл — металл, металл — по­лупроводник n-типа, два полупроводника n-типа, два полупроводника р-типа) эффект Пельтье имеет сле­дующее объяснение. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны от спая имеют различную среднюю энергию (имеется в виду полная энергия — кинетическая плюс потенциальная). Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они отдают избыток энергии кристалличе­ской решетке, в результате чего спай нагревается. На другом спае носители переходят в область с большей энергией; недостающую энергию они заимствуют у ре­шетки, что приводит к охлаждению спая.

В случае контакта двух полупроводников с различ­ным типом проводимости эффект Пельтье имеет дру­гое объяснение. В этом случае на одном спае элек­троны и дырки движутся навстречу друг другу. Встре­тившись, они рекомбинируют: электрон, находившийся в зоне проводимости n-полупроводника, попав в р-по-лупроводник, занимает в валентной зоне место дырки. При этом высвобождается энергия, которая требует­ся для образования свободного электрона в n-полу-проводнике и дырки в р-полупроводнике, а также ки­нетическая энергия электрона и дырки. Эта энергия сообщается кристаллической решетке и идет на нагре­вание спая. На другом спае протекающий ток отсасы­вает электроны и дырки от границы между полупро­водниками. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок (при этом электрон из валентной зоны p-полупроводника переходит в зону проводимо­сти n-полупроводника). На образование пары затрачи­вается энергия, которая заимствуется у решетки, - спай охлаждается.

Выводы

В заключение рас­смотрим замкнутую цепь, составленную из произвольного числа разнород­ных металлов и полупроводников. Если все спаи поддерживать при одинаковой температуре, сумма скачков потенциалов будет

Рис. Замкнутая цепь, состоящая из трех различных ме­таллов.

Внизу показано изменение потенциала вдоль этой цепи

равна нулю. Поэто­му ЭДС в цепи возникнуть не может. Возникновение тока в такой цепи противоречило бы второму началу термодинамики. Действительно, так как протекание тока в металлах и полупроводниках не сопровождает­ся химическими изменениями, ток совершал бы работу за счет теплоты, получаемой от окружающей цепь среды. Никаких побочных процессов (например, пере­дачи части полученной теплоты другим телам) при этом не происходило бы. Следовательно, был бы осу­ществлен перпетуум мобиле второго рода.