Эффект Зеебека

Эффект Зеебека — термоэлектрическое явление возникновения электродвижущей силы в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Эффект открыт в 1821 году Томасом Зеебеком. В 1822 году результаты опытов опубликованы в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур» в докладах Прусской академии наук.

В цепи из двух разнородных проводников, называемой термопарой, термо-ЭДС в первом приближении пропорциональна разности температур контактов. Коэффициент пропорциональности — термоэлектрическая способность пары — зависит от материалов и в общем случае от температуры; типичные значения термо-ЭДС составляют единицы милливольт на каждые 100 К разности температур.

Градиент температуры наделяет электроны горячего конца большей энергией; в полупроводниках также растёт их концентрация. Возникает поток электронов к холодному концу до уравновешивания разностью потенциалов; эта ЭДС называется объёмной.

Контактная разность потенциалов возникает из-за отличия энергий Ферми; при контакте химические потенциалы выравниваются. В замкнутой цепи при равенстве температур контактные поля компенсируют друг друга. При изменении температуры одного контакта циркуляция поля становится ненулевой, что порождает контактную ЭДС.

Поток фононов от горячего конца увлекает электроны, создавая третью составляющую термо-ЭДС. При низких температурах этот вклад способен в десятки и сотни раз превышать остальные.

В магнетиках возникает дополнительная составляющая термо-ЭДС, обусловленная увлечением электронов магнонами.

Эффе́кт Зеебе́ка — явление возникновения ЭДС на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах^[1]^[2].

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом^[3]. Эффект, обратный эффекту Зеебека, называется эффектом Пельтье.

Эффект был открыт в 1821 Т. И. Зеебеком. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук^[4].

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, состоящая только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур холодного ( $T_{1}$ ) и горячего ( $T_{2}$ ) контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС $E$ можно считать пропорциональной разности температур:

$E=\alpha _{12}(T_{2}-T_{1}),$

где $\alpha _{12}$ — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только видом материалов проводников, однако в общем случае он зависит и от температуры, а в некоторых случаях с изменением температуры $\alpha _{12}$ меняет знак.

Более корректное выражение для термо-ЭДС представляет собой интеграл:

${\mathcal {E}}=\int \limits _{T_{1}}^{T_{2}}\alpha _{12}(T)dT.$

Величина термо-ЭДС составляет единицы милливольт на 100 °С разности температур спаев. Например, пара медь-константан даёт 4,28 мВ/100 °С, хромель-алюмель — 4,1 мВ/100 °С^[5].

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Объёмная разность потенциалов

Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растёт с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов:

$U={\frac {F_{2}-F_{1}}{e}},$

где $F$ — энергия Ферми, $e$ — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термо-ЭДС исчезают.

Фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термо-ЭДС, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше.

Магнонное увлечение

В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термо-ЭДС, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

↑ Кульбачинский Владимир Анатольевич, Апрелева Александра Сергеевна, Кытин Владимир Геннадьевич, Кошелев Анатолий Владимирович. Низкотемпературный транспорт в твердых растворах теллуридов висмута–сурьмы с мышьяком, медью и оловом // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. — 2024. — № 5. — doi:10.55959/MSU0579-9392.79.2450502.
↑ Хвесюк В. И., Останко Д. А., Скрябин А. С., Цыганков П. А., Челмодеев Р. И., Чирков А. Ю. Предельная эффективность термоэлектрического преобразования теплоты в высокотемпературных энергоустановках // Машиностроение и компьютерные технологии. — 2016. — № 3.
↑ Семиляк А. И., Саркаров Т. Э., Евдуло Д. В., Назаров К. К. оптимизация термоэлектрических систем контроля температуры // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. — 2023. — № 1.
↑ Термоэлектричество, эффект Пельтье, эффект Зеебека (недоступная ссылка)
↑ Кухлинг Х. Справочник по физике. — М. : Мир. — 1982. — С. 374—375.

Семиляк А. И., Саркаров Т. Э., Евдуло Д. В., Назаров К. К. Оптимизация термоэлектрических систем контроля температуры // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. — 2023. — № 1.

Аккумуляторы уходят в прошлое: новый материал генерирует электричество из тепла // Новости Hi-Tech @Mail.ru (ноябрь, 2019 г.).

[1] Кульбачинский Владимир Анатольевич, Апрелева Александра Сергеевна, Кытин Владимир Геннадьевич, Кошелев Анатолий Владимирович. Низкотемпературный транспорт в твердых растворах теллуридов висмута–сурьмы с мышьяком, медью и оловом // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. — 2024. — № 5. — doi:10.55959/MSU0579-9392.79.2450502.

[2] Хвесюк В. И., Останко Д. А., Скрябин А. С., Цыганков П. А., Челмодеев Р. И., Чирков А. Ю. Предельная эффективность термоэлектрического преобразования теплоты в высокотемпературных энергоустановках // Машиностроение и компьютерные технологии. — 2016. — № 3.

[3] Семиляк А. И., Саркаров Т. Э., Евдуло Д. В., Назаров К. К. оптимизация термоэлектрических систем контроля температуры // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. — 2023. — № 1.

[4] Термоэлектричество, эффект Пельтье, эффект Зеебека (недоступная ссылка)

[5] Кухлинг Х. Справочник по физике. — М. : Мир. — 1982. — С. 374—375.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

Эффект Зеебека

История

Описание

Объяснение эффекта

Объёмная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов

Фононное увлечение

Магнонное увлечение

Использование

Примечания

Литература

Ссылки

Дополнительно по теме

Категории