Явление Пельтье

Это явление 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, явление Пельтье обратно явлению Зеебека.

Опытным путем установлено, 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 называется коэффициентом Пельтье.

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

Из законов термодинамики вытекает, что коэффициент Пельтье и удельная термо-ЭДС связаны соотношением

В случае контакта двух веществ с одинаковым видом носителей тока эффект Пельтье имеет следующее объяснение. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны от спая имеют различную среднюю полную энергию. 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 p-полупроводник, занимает в валентной зоне место дырки. При этом высвобождается энергия, которая требуется для образования свободного электрона в n-полупроводнике и дырки в p-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.

Явление Томсона

У. Томсон (лорд Кельвин) предсказал на основании термодинамических соображений, что теплота, аналогичная теплоте Пельтье, должна выделяться (или поглощаться) при прохождении тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры. Этот эффект был впоследствии обнаружен экспериментально и получил название явления Томсона.

Количество теплоты, выделяющейся вследствие явления Томсона в единицу времени в элементе проводника длины dl, равно

Здесь - коэффициент Томсона.

Явление Томсона объясняется следующим образом. Пусть ток течет в направлении возрастания температуры. Если носители тока – электроны, они при своем движении будут переходить из мест с более высокой температурой в места с более низкой температурой. Избыток своей энергии электроны отдадут решетке, что приведет к выделению тепла. Если носители тока – дырки, эффект будет иметь обратный знак.