Квантовое объяснение возникновения Т. Э. Д. С.

Возникновение термоэлектродвижущей силы обусловлено тремя причинами:

1. температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей т. э. д. с.;

2.диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть т. э. д. с.;

3.процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую

–фононную.

Рассмотрим первую причину Максимальная кинетическая энергия электронов проводимости в металле при 0К

называется энергией Ферми. Уровень Ферми при абсолютном нуле и концентрация электронов проводимости связаны между собой соотношением:

	E f (0) =	h 2	(3 π 2 n)2 / 3	(П1),
	8 π 2 m

где h – постоянная Планка, m – масса электрона, n – концентрация электронов проводимости.

У разнородных металлов концентрация электронов проводимости неодинаковые, поэтому будут различны и уровни Ферми EF1 и EF2. Пусть концентрация n2 в металле М2 больше концентрации n1 в металле M1. Рассмотрим энергетические диаграммы двух проводников М1и М2, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (рис. П1а). Пусть W0 – энергия покоящегося свободного электрона в вакууме, где его потенциальная энергия равна нулю. Тогда, относительно этого уровня потенциальная энергия электрона проводимости в металле определяется его внутренней потенциальной энергией еφ и эффективной работой выхода А, а кинетическая энергия зависит от температуры и уровня Ферми. Полную энергию электрона в металле обозначим EF + еφ

Если металлы М1 и М2 привести в контакт (рис. П1 б, в), начнется диффузия электронов, в процессе которой электроны будут переходить из металла 2 в металл 1, так как n1<n2 и следовательно EF1 < EF2.

а)

б)

в)

Рис. П1. Энергетическая диаграмма двух металлов:

а) контакта нет; б) в контакте, но нет равновесия; в) равновесие

Действительно, в металле М2 имеются заполненные энергетические уровни, расположенные выше уровня Ферми ЕF1 первого металла. Электроны с этих уровней будут переходить на нижележащие свободные уровни металла М1, которые расположены выше уровня ЕF1. В результате диффузии металл 2 будет заряжаться положительно, а металл 1 отрицательно, причем уровень Ферми у первого металла поднимается, а у второго

опускается. Таким образом, в области контакта возникает электрическое поле, а,

следовательно, и внутренняя контактная разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему перемещению электронов. При некотором значении внутренней контактной разности потенциалов U12 между металлами установится равновесие, и уровни Ферми при этом сравняются. Это произойдет при равенстве энергий

EF 1+ eϕ 1= EF 2+ eϕ 2.

Отсюда следует выражение для внутренней контактной разности потенциалов

ϕ 1− ϕ 2= U 12	=	EF1- EF2	.	(П2)
		e

Если оба спая А и В проводников находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и имеют противоположные знаки, то есть компенсируют друг друга.

При выводе предполагалось, что металлы находятся при низких температурах. Однако результат останется верным и при других температурах: нужно лишь иметь ввиду, что при Т≠0К уровень Ферми зависит не только от концентрации электронов, но и от температуры.

При условии, что kТ<<ЕF эта зависимость имеет следующий вид:

− π

2

kT

Е

F

≈ Е

F

(0)1

.

(П3)

EF (0)

Следовательно, если в местах спаев А и В поддерживать разную температуру, то сумма скачков потенциала в спаях будет отлична от нуля и вызовет появление ЭДС. Эта ЭДС, обусловленная контактными разностями потенциалов, согласно выражению П2 равна:

ε k = U 12 (TА)+ U 12 (TВ)= 1 e {[ EF 1(TА)− EF 2 (TА)]+[ EF 1(TВ)− EF 2 (TВ)]}=

=1 e {[ EF 2 (TВ)− EF 2 (TА)]+[ EF 1(TВ)− EF 1(TА)]}

Последнее выражение можно представить следующим образом:

εk	= ∫ В	1 dEF 2	dT − ∫ В	1 dEF 1	dT.	(П4)
	T			T
	ТАe	dT	TАe	dT

Вторая причина обуславливает объемную составляющую т. э. д. с., связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металле перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном

увеличится. Внутри проводника возникает электрическое поле Е r Т, направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. П2)

Рис. П2 Возникновение т. э. д. с. в однородном материале вследствие пространственной неоднородности температуры.

Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая т. э. д. с., которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.

Третий источник т. э. д. с. – эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов (квантов энергии упругих колебаний решетки), направленный от горячего конца к холодному. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение, увлекая их за собой. В результате, вблизи холодного конца образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой дополнительную составляющую т. э. д. с., вклад которой при низких температурах становится определяющим:

ε 1 AВ	= ∫ В dϕ =∫ В dϕ dT =∫ В	β 1 dT, (П5)
			T
	А	А dT	TА

где β 1 = ddTϕ - коэффициент объемной т. э. д. с. в металле М1.

ε 2 АB	= −∫ dϕ = −∫ dϕdT = −∫ β 2 dT	, (П6)
	В	В	TВ
	А	А	dT	TА

где β 2 = ddTϕ - коэффициент объемной т. э. д. с. в металле М2.

Сумма всех этих ЭДС образует термоэлектродвижущую силу

εT = εk + εA 21 + εB 12. (П7)

Подставив выражения (П4), (П5) и (П6) в равенство (П7), получим

ТВ			1 dEF 1		TВ			1 dEF 2
εТ = ∫	β 1	−			dT − ∫	β 2	−			dT. (П8)
ТА			е dT	TА			e dT

Величина α = β − 1 е dEdTF называется коэффициентом т. э. д. с. и является функцией

температуры.

Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей. В металлах концентрации свободных электронов очень велики и не

зависят от температуры; электронный газ находится в вырожденном состоянии и поэтому уровень Ферми, энергия и скорости электронов также слабо зависят от температуры. Поэтому коэффициенты термоэдс «классических» металлов очень малы (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников α может превышать 1000 мкВ/К.

Используя коэффициент α, представим выражение (П8) в виде:

TB	TB	T
εT = ∫ α 1 dT − ∫ α 2 dT или εT	= ∫ Bα 12 dT (П9),
TA	TA	TA

где α 12 = α 1 − α 2 - называется дифференциальной или удельной термоэлектродвижущей

силой данной пары металлов.

Если α 12 слабо зависит от температуры, тогда формулу (П9) можно приближенно представить в виде:

ε = α 12 (TВ − ТА) (П10)