Термо ЭДС. Эффект Зибека

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВА
2. СУТЬ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМО-ЭДС
3. ТЕРМО-ЭДС В СПАЕ ДВУХ ПРОВОДНИКОВ
3.1. Объемная составляющая термо-ЭДС
3.2. Контактная составляющая термо-ЭДС
3.3. Увлечение электронов фононами
4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ЗЕЕБЕКА
4.1. Термопара
4.2. Термоэлектрические генераторы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы

Термо ЭДС. Эффект Зибека

Рассмотрим физическую природу каждого из этих источников.
3.1. Объемная составляющая термо-ЭДС
Кратко эта составляющая была рассмотрена в разделе 1.2. Здесь мы рассмотрим ее более подробно. Представим, что на концах однородного проводника (рис. 3) поддерживается разность температур (T2 – T1), так что вдоль проводника в направлении от B к A существует градиент температуры dT/dx.
Рис.3 Возникновение нескомпенсированных зарядов на концах разомкнутого проводника при наличии разности температур.
Носители тока, сосредоточенные на горячем конце, обладают большей энергией и большей скоростью движения по сравнению с носителями холодного конца. Поэтому в проводнике от горячего конца к холодному установится поток носителей тока, приводящий к заряжению проводника. Если носителями являются электроны, то холодный конец будет заряжаться отрицательно, горячий – положительно и между ними возникает разность потенциалов Vоб, которая и представляет собой объемную составляющую термо-ЭДС. Дифференциальная термо-ЭДС, соответствующая этой составляющей, равна
(2)
Приблизительную оценку можно произвести следующим образом. Электронный газ создает в проводнике давление
(3)
где – средняя энергия электронов в проводнике, n – их концентрация. Наличие градиента температуры. Наличие градиента температуры вызывает перепад давления, для уравновешивания которого в проводнике должно возникнуть поле напряженностью E, удовлетворяющее следующему условию
(4)
Отсюда легко определить
(5)
Как правило, в электронном проводнике направлена от горячего конца к холодному. Однако из этого правила возможны исключения, которые будут рассмотрены в дальнейшем (2, с. 262-263).
3.2. Контактная составляющая термо-ЭДС
Если оба спая находятся при одинаковой температуре, то контактные разности потенциалов на этих спаях равны, направлены в противоположные стороны при обходе контура с термоэлементом и не дают результирующей ЭДС. Если же температура спаев различна, то значение контактной разности потенциалов также будет различно. Тогда в цепи появляется вторая составляющая термо-ЭДС (3, с. 429). Ее появление обусловлено тем, что с изменением температуры меняется положение уровня Ферми. В электронных проводниках с увеличением температуры уровень Ферми смещается вниз по энергетической шкале. Поэтому на холодном конце однородного электронного проводника он должен располагаться выше, чем на горячем. Наличие разности в положении уровня Ферми приводит к возникновению разности потенциалов, численно равной
(6)
Это и есть контактная составляющая термо-ЭДС. Дифференциальная термо-ЭДС, соответствующая этой составляющей, равна
(7)
Результирующая дифференциальная термо-ЭДС
(8)
3.3. Увлечение электронов фононами
Этот эффект, открытый Л. Э. Гуревичем в 1945 г., состоит в следующем. При наличии градиента температуры в проводнике возникает дрейф фононов от горячего конца к холодному, совершающийся с некоторой скоростью υфд. Существование такого дрейфа приводит к тому, что электроны, рассеиваемые на фононах, сами начинают совершать направленное движение от горячего конца к холодному примерно с той же скоростью υфд. Накопление электронов на холодном конце проводника и обеднение электронами горячего конца вызывает появление термо-ЭДС Vф.
При низких температурах эта составляющая термо-ЭДС может в десятки и сотни раз превосходить объемную и контактную составляющие (2. с. 265-266).
4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ЗЕЕБЕКА
В настоящее время к любым исследованиям в области физики относятся скептически до тех пор, пока не будет обоснована возможность практического использования данного открытия. Поэтому мы считаем необходимым указать здесь возможности практического применения эффекта Зеебека.
Долгое время эффект Зеебека использовался только в измерительных целях. Помещая один спай термопары в термостат, поддерживающий постоянную температуру, другой – в исследуемую среду, можно по возникающей термо-ЭДС определить температуру этой среды. Таким образом удается весьма просто, надежно и с достаточно большой степенью точности определить температуру в широком диапазоне.
4.1. Термопара
Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) – термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации отопления, вентиляции и кондиционирования.
Принцип действия термопары основан на том, что нагревание или охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС). Термопара состоит из двух металлов, сваренных на обоих концах. Один конец помещается в месте замера температуры. Второй спай термостатируется, или измеряется его температура и погрешность вычитается расчётным способом. Метрологической характеристикой термопары является градуировочная таблица в которой указана температура горячего конца термопары, и термо-ЭДС развиваемая термопарой при этой температуре, при этом необходимо учитывать температуру холодного конца термопары и термо-ЭДС развиваемую на нём необходимо вычесть из термо-ЭДС горячего конца термопары.