ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

У. Томсон (Кельвин) вывел
термодинамич. соотношение между коэфф. Пельтье и Зеебека (а), к-рое
является частным проявлением симметрии кинетич. коэфф. (см. Онсагера
теорема): П = аТ, где Т - абс. темп-pa, и предсказал
существование третьего Т. я.-Томсона эффекта. Оно заключается в
следующем: если вдоль проводника с током существует перепад темп-ры, то
в дополнение к теплоте Джоуля в объёме п-роводника выделяется или поглощается,
в зависимости от направления тока, дополнит, количество теплоты Q(т е пл от а Томсон a): OТТ.)It,
где т - коэфф. Томсона, зависящий от природы материала. Согласно теории
Томсона, удельная термоэдс пары проводников связана с их коэфф. Томсона
соотношением: da/dT = (т)/Т.

Эффект Зеебека объясняется тем, что
ср. энергия электронов проводимости зависит от природы проводника и поразному
растёт с темп-рой. Если вдоль проводника существует градиент темп-р, 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 темп-рой. В результате возникает поток электронов
от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицат.
заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положит, 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. Алгебраич. сумма таких разностей
потенциалов в цепи создаёт одну из составляющих термоэдс, к-рую наз. объёмной.

Вторая (контактная) составляющая
- следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов.
Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же темп-ре,
то контактная и объёмная термоэдс исчезают.

Вклад в термоэдс даёт также эффект
увлечения электронов фононами. Если в твёрдом теле существует градиент
темп-ры, 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 отрицат. заряд (на горячем - положительный) до тех пор, пока
возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения; эта разность
потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, к-рая при низких
темп-рах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В
магнетиках наблюдается дополнит, составляющая термоэдс, обусловленная эффектом
увлечения электронов магнонами.

В металлах концентрация электронов
проводимости велика и не зависит от темп-ры. Энергия электронов также почти
не зависит от темп-ры, поэтому термоэдс металлов очень мала. Сравнительно
больших значений достигает термоэдс в полуметаллах и их сплавах,
где концентрация носителей значительно меньше и зависит от темп-ры, а также
в нек-рых переходных металлах и их сплавах (напр., в сплавах Pd с Ag термоэдс
достигает 86 мкв/°С). В последнем случае концентрация электронов
велика. Однако термоэдс велика из-за того, что средняя энергия электронов
проводимости сильно отличается от энергии Ферми. Иногда быстрые электроны
обладают меньшей диффузионной способностью, чем медленные, и термоэдс в
соответствии с этим меняет знак. Величина и знак термоэдс зависят также
от формы поверхности Ферми. В металлах и сплавах со сложной Ферми поверхностью
различные участки последней могут давать в термоэдс вклады противоположного
знака и термоэдс может быть равна или близка к нулю. Знак термоэдс нек-рых
металлов меняется на противоположный при низких темп-pax в результате увлечения
электронов фононами.

В дырочных полупроводниках на
холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем - остаётся нескомпенсированный
отрицат. заряд (если только аномальный механизм рассеяния или эффект увлечения
не приводят к перемене знака термоэдс). В термоэлементе, состоящем
из дырочного и электронного полупроводников, термоэдс складываются. В полупроводниках
со смешанной проводимостью к холодному контакту диффундируют и электроны
и дырки, и их заряды взаимно компенсируются. Если концентрации и подвижности
электронов и дырок равны, то термоэдс равна нулю.

В условиях, когда вдоль проводника,
по к-рому протекает ток, существует градиент темп-ры, причём направление
тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, при
переходе из более горячего сечения в более холодное, электроны передают
избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота), а при
обратном направлении тока, проходя из более холодного участка в более горячий,
пополняют свою энергию за счёт окружающих атомов (теплота поглощается).
Этим и объясняется (в первом приближении) явление Томсона. В первом
случае электроны тормозятся, а во втором - ускоряются полем термоэдс, что
изменяет значение т, а иногда и знак эффекта.

Причина возникновения явления Пельтье
заключается в том, что средняя энергия электронов, участвующих в переносе
тока, зависит от их энергетич. спектра (зонной структуры материала),
концентрации электронов и механизма их рассеяния, и поэтому в разных проводниках
различна. При переходе из одного проводника в другой электроны либо передают
избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счёт
(в зависимости от направления тока). В первом случае вблизи контакта
выделяется, а во втором - поглощается теплота Пельтье. Рассмотрим случай,
когда направление тока соответствует переходу электронов из полупроводника
в металл. Если бы электроны, находящиеся на примесных уровнях полупроводника,
могли бы точно так же перемещаться под действием электрического поля, как
электроны проводимости, и в среднем энергия электронов равнялась бы энергии
Ферми в металле, то прохождение тока через контакт не нарушало бы теплового
равновесия (О). Но в полупроводнике электроны на
примесных уровнях локализованы, а энергия электронов проводимости значительно
выше уровня Ферми в металле (и зависит от механизма рассеяния).
Перейдя в металл, электроны проводимости отдают свою избыточную энергию;
при этом и выделяется теплота Пельтье. При противоположном направлении
тока из металла в полупроводник могут перейти только те электроны, энергия
к-рых выше дна зоны проводимости полупроводника. Тепловое равновесие в
металле при этом нарушается и восстанавливается за счёт тепловых колебаний
кристаллической решётки. При этом поглощается теплота Пельтье. На контакте
двух полупроводников или двух металлов также выделяется (или поглощается)
теплота Пельтье вследствие того, что средняя энергия участвующих в
токе электронов по обе стороны контакта различна.

Т. о., причина всех Т. я.- нарушение
теплового равновесия в потоке носителей (т. е. отличие средней энергии
электронов в потоке от энергии Ферми). Абс. значения всех термоэлектрич.
коэфф. растут с уменьшением концентрации носителей; поэтому в полупроводниках
они в десятки и сотни раз больше, чем в металлах и сплавах.

Лит.: Жузе В. П., Гусенкова
Е. И., Библиография по термоэлектричеству, М.- Л., 1963; Иоффе А. Ф., Полупроводниковые
термоэлементы, М.- Л., 1960; 3 а и м а н Д ж., Электроны и фононы, пер.
с англ., М., 1962; П о п о в М. М., Термометрия и калориметрия, 2 изд.,
М., 1954; Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967. Л.
С. Стильбанс.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я