Ознакомление с явлением Зеебека.

Зеебек обнаружил в 1821 г., что в случае, если спаи 1 и 2 двух разнородных металлов (А и В), образующих замкнутую цепь (рис. 14.1), имеют неодинаковую температуру, в цепи течет электрический ток. Изменение знака у разности температур у спаев сопровождается изменением направления тока.

Рис. 14.1. Явление Зеебека – возникновение э.д.с. в замкнутой цепи из двух металлов (А и В), спаи (1 и 2) которых поддерживаются при разных температурах

Причиной возникновения электрического тока является электродвижущая сила V, называемая термоэлектродвижущей силой (сокращенно термо-э.д.с.). Как показывает опыт, в относительно узком интервале температур она пропорциональна разности температур контактов А и В

,                           (14.1)

Коэффициент пропорциональности

,                                     (14.2)

называют дифференциальной или удельной термо-э.д.с. Он зависит от природы соприкасающихся проводников и температуры. Термо-э.д.с. возникает и в однородном проводнике, на концах которого поддерживается разность температур , формулы (14.1), (14.2) применимы и в таком случае. Термо-э.д.с. для металлов незначительна – порядка нескольких мкВ/К.

Сравнительно больше термо-э.д.с. в полуметаллах и их сплавах, а также в некоторых переходных металлах и их сплавах – до нескольких десятков мкВ/К. Термо-э.д.с. в полупроводниках примерно на три порядка выше, чем в металлах – порядка нескольких мВ/К.

В некоторых металлах и сплавах термо-э.д.с. проводника в целом может быть равна или близка к нулю. Нулевой термо-э.д.с. обладает, в частности, свинец. Поэтому измерение термо-э.д.с. проводников проводят обычно по отношению к свинцу. Если из электронного проводника (с основными свободными носителями заряда электронами) и свинца собрать термопару (см. рис. 14.2), то направление тока в горячем ее спае будет определяться полярностью заряжения этого проводника.

Рис. 14.2. Направления тока и термо-э.д.с. в горячем спае различных проводников со свинцом: а) , ; б,в) , .

Для нормального проводника, горячий спай которого заряжается положительно, ток в этом спае направлен от проводника к свинцу (рис. 14.2а). Термо-э.д.с. проводника в этом случае считается отрицательной, . При аномальном заряжении электронного проводника (рис. 14.2б) ток в горячем спае направлен от свинца к проводнику и термо-э.д.с. считается положительной величиной, . Положительной термо-э.д.с. будет и для нормального дырочного проводника с основными свободными носителями заряда дырками (см. работы 15, 16), горячий конец которого заряжается отрицательно (рис. 14.2в). Примеры термо-э.д.с. для некоторых металлов и сплавов приведены в табл. 14.1.

Термо-э.д.с. обусловлена тремя причинами:

1) диффузией основных носителей заряда − электронов или дырок от более нагретого конца каждого металла к более холодному концу (объемная или диффузионная составляющая );

2) увлечением электронов фононами (квантами согласованных колебаний атомов кристалла), движущимися от более нагретого конца каждого металла к более холодному концу (фононная составляющая ), основная причина при низких температурах).

3) зависимостью уровня Ферми (см. Прил. 7) от температуры и различием скачков потенциала при переходе из одного металла в другой − внутренних контактных разностей потенциалов, в спаях 1 и 2, находящихся при разных температурах (контактная составляющая ).

Таблица 14.1