Термоэлектрические явления в металлах и сплавах



       Термоэлектрические явления - это ряд физических явлений, обусловленных взаимосвязью между электрическим током и потоками тепла в веществах и контактах между ними. Явление возбуждения термоэлектрического тока (явление Зеебека), а также тесно связанные с ним явления Пельтье и Томсона называются термоэлектрическими явлениями. Явления возникновения в ведущих средах ЭДС вследствие их неравномерного нагрева (термоэдс) или образование тепла, дополнительного к Джоулево, при протекании через среду электрического тока.

ЕфектЗеєбека

Эффект Зеебека - явление возникновения ЭДС между двумя контактами различных проводников, находящихся при разной температуре. Примером применения является термопара.Эффект Зеебека возникает в кругу, состоящее из двух спаянных между собой проводников (термопара). Один из контактов нагревают, и тогда в кругу возникает электрический ток. Разность потенциалов (электродвижущая сила), которая возникает между контактами, зависит от рода проводников контактов и от разницы температуры между контактами.

Установлено, что в замкнутом круге для многих пар металлов (например, Сu - Bi, Ag - Сu, Аu - Сu) э. Д. С. прямо пропорциональна разности температур в контактах. Эта э. Д. С. называется термоэлектродвижущая силой. Дело в том, что положение уровня Ферми зависит от температуры. Поэтому, если температуры контактов различны, то разными будут и внутренние контактные разности потенциалов. Таким образом, сумма скачков потенциала отлична от нуля, что и приводит к возникновению термоэлектрического тока.

Явление Зеебека не противоречащей второму принципу термодинамики, поскольку в данном случае внутренняя энергия преобразуется в электрическую, для чего используется два источника теплоты (два контакта). Итак, для поддержания постоянного тока в цепи рассматриваемого необходимо поддерживать постоянство разности температур контактов: к более нагретого контакта непрерывно подводить теплоту, а от холодного - непрерывно ее отводить. Это явление используется для измерения температуры. Для этого применяются термоэлементы или термопары - датчики температур, состоящие из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников. Если контакты (обычно спаи) проводников, создают термопару, находятся при разных температурах, то в кругу виникаетермоелектрорушийна сила, которая зависит от разницы температур контактов и природы используемых материалов. Чувствительность термопар будет выше, если их совместить последовательно. Эти соединения называются термобатарея (или термостолбик).

Явление Пельтье

Явление Пельтье заключается в том, что при прохождении через контакт двух разных проводников электрического тока, в зависимости от направления, кроме Джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким образом, явление Пельтье является обратным по отношению явления Зеебека. В отличие от Джоулево теплоты, пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.

Согласно наблюдениям Пельтье, спай А, который при явлении Зеебека поддерживался бы при более высокой температуре, теперь будет охлаждаться, а спай В -нагреватся. При изменении направления тока спай А будет нагреваться, а спай В - охлаждаться.

       Объяснить явление Пельтье можно следующим образом. Электроны по разные стороны спая имеют различную среднюю энергией (полной - кинетическую плюс потенциальную). Если электроны пройдут через спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетки, и спай нагреваться. В спаи А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь энергию, которой не хватает, в кристаллических решеток, и спай охлаждаться. Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках.

Ефект Томсона

       Это явление нагрева или охлаждения проводника с током в условиях существования градиента температуры. Эффект Томсона характеризуется коэффициентом Томсона. Выделение или поглощение тепла можно записать в виде:

dQ = σI dx, где dQ - количество теплоты, которое выделяется или поглощается на участке проводника dx, I - сила тока, Т - температура, σ - коэффициент Томсона. Эта формула не учитывает Джоулевого тепла, которое выделяется при прохождении тока в проводниках и пропорциональное квадрату силы тока.

При прохождении тока через неоднородно нагретый проводник носители заряда переходят из области высокой температуры, они имеют большую энергию, в область низкой температуры, или наоборот. При этом им нужно или получить энергию от колебаний решетки, охлаждая ее, или отдать энергию колебаниям решетки, нагревая ее. В общем случае, количество тепла, выделяемого в объеме dV, определяется соотношением:

dQT= - σ( Tj ) dtdV

В полупроводниках важным является тот факт, что концентрация свободных носителей в них зависит от температуры. Если полупроводник нагретый неравномерно, то концентрация носителей заряда больше будет там, где высокая температура, поэтому градиент температуры приводит к градиенту концентрации, вследствие чего возникает диффузный поток носителей заряда. Это приводит к разделению зарядов, который приводит к возникновению электрического поля, которое направлено противоположно. Таким образом, если в полупроводнике является градиент температуры, то в нем возникнет объемное электрическое поле E.


Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 544; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!