 | Зеебека эффект |  |
Возникновение эдс (термоэдс) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах
Анимация Описание Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников (М1 и М2), возникает термоэдс, если места контактов (А, B) поддерживаются при разных температурах. Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (так называемый термоток IT), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 1). Возникновение термоиндуцированного тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов 
Рис. 1 Цепь, составленная из двух различных проводников (М1, М2), называется термоэлементом (или термопарой), а ее ветви - термоэлектродами. Величина термоэдс (eТ) зависит от абсолютных значений температур спаев (TA , TB), разности этих температур DT и от природы материалов, составляющих термоэлемент. Термоэдс контура определяется формулами: deТ = a12dT;  .
Здесь a12 - коэффициент термоэдс металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину a измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец, т.к. для образца из свинца не возникает никакой разности потенциалов между его нагретым и холодным концами. Значения коэффициентов термоэдс металлов М1 и М2 по отношению к свинцу обозначают соответственно a1 и a2 и называют абсолютными коэффициентами термоэдс. Тогда a12 = a1 - a2. В небольшом интервале температур (во всяком случае, для интервала порядка 0°С ё 100°С): eТ = a12 (TA - TB) = a12 DT. Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением a к металлу, у которого коэффициент термоэдс больше. Например, для термопары железо (М1) - константан (М2) абсолютные коэффициенты термоэдс соответственно равны: a1 = +15.0 мкВ/К (для железа) и a2= -38.0 мкВ/К (для константана). Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М2 к М1). Именно эта ситуация (когда a2<a1) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 1. Коэффициент термоэдс определяется физическими характеристиками проводников, составляющих термоэлемент: концентрацией, энергетическим спектром, механизмами рассеяния носителей заряда, а также интервалом температур. В некоторых случаях при изменении температуры происходит даже изменение знака a. Термоэдс обусловлена тремя причинами: 1) температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей термоэдс; 2) диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть термоэдс; 3) процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую - фононную. Рассмотрим первую причину. Несмотря на то, что в проводниках уровень Ферми слабо зависит от температуры (электронный газ вырожден), для понимания термоэлектрических явлений эта зависимость имеет принципиальное значение. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной термоэдс ( ):  ;
 ,
где EF - энергия Ферми; к - постоянная Больцмана; е - заряд электрона. Для свободных электронов aк должно линейно меняться с температурой. Вторая причина обуславливает объемную составляющую термоэдс, связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах 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 возникнет электрическое поле ЕТ, направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. 2). Возникновение термоЭДС в однородном материале вследствиии пространственной неоднородности температуры 
Рис. 2 Напряженность возникающего термоэлектрического поля определяется градиентом температуры вдоль образца (ЕТ=aЧdT/dx), а разность потенциалов (термоэдс) - разностью температур (DjТ =aDТ). Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая термоэдс, которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах. В случае положительных носителей заряда (дырки) нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный положительно, что приведет к смене знака термоэдс. В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлениях. В некоторых случаях эти поля компенсируют друг друга, и никакой разности потенциалов между концами не возникает. Именно такой случай имеет место в свинце. Третий источник термоэдс - эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов, 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 термоэдс, вклад которой при низких температурах становится определяющим. Необходимо отметить, что "фононное" и "диффузное" слагаемые термоэдс имеют один и тот же знак, в то время как контактная термоэдс, как правило, противоположна им по знаку. Строгий вывод термоэдс из кинетического уравнения достаточно сложен. Вообще, причина всех термоэлектрических явлений - нарушение теплового равновесия в потоке (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от ее значения на уровне Ферми). Наиболее общее выражение для коэффициента термоэдс металлов (то есть для сильно вырожденного электронного газа) имеет вид:  .
Считая, что зависимость проводимости металлов (s) от энергии (Е) достаточно слабая, для свободных электронов получается формула:  .
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 термоэдс "классических" металлов очень мала (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников a может превышать 1000 мкВ/К. Для сравнения, в таблице приведены значения a некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур 0°С ё 100°С (положительный знак a приписан тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай). | Таблица 1 | Металл | a, мкВ/К | Платина | -4.4 | Олово | -0.2 | Свинец | 0.0 | Серебро | +2.7 | Медь | +3.2 | Сурьма | +4.3 |
Приведенные данные не следует считать абсолютно достоверными, так как величина термоэдс зависит от чистоты материала и очень чувствительна к внешним механическим и химическим воздействиям. Все термоэлектрические явления относятся к явлениям переноса и обусловлены электрическими или тепловыми потоками, возникающими в среде при наличии электрических и тепловых полей. Причиной всех термоэлектрических явлений является то, что средняя энергия носителей в потоке отличается от средней энергии в состоянии равновесия. Помимо эффекта Зеебека, к термоэлектрическим явлениям относят эффект Пельтье, обратный явлению Зеебека и эффект Томсона. Коэффициент термоэдс a связан с коэффициентами Пельтье (p) и Томсона (t) соотношением:  .
Эффект Зеебека, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер. Так как в электрических схемах и приборах всегда имеются спаи и контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникают термоэдс, которые необходимо учитывать при точных измерениях. С другой стороны, термоэдс находит широкое практическое применение. Эффект Зеебека в металлах используется в термопарах для измерения температур. Что касается термоэлектрических генераторов, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, то в них используются полупроводниковые термоэлементы, обладающие гораздо большими термоэдс. Эффект открыт в 1821 г. Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck). Временные характеристики Время инициации (log to от -3 до 2); Время существования (log tc от 15 до 15); Время деградации (log td от -3 до 2); Время оптимального проявления (log tk от -2 до 3). Диаграмма: 
Технические реализации эффекта Термопара Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара - термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры. Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2. В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С. На рис. 3 показаны схемы включения термопары в измерительную цепь: а) измерительный прибор 1 подключен с помощью соединительных проводов 2 в разрыв одного из термоэлектродов М1; б) измерительный прибор подключен к концам термоэлектродов М1 и М2; ТА и ТВ - температуры соответственно "горячего" и "холодного" контактов термопары. Типичная схема включения термоэлектрического датчика с термостатированным контактом 
Рис. 3а Типичная схема включения термоэлектрического датчика с с нетермостатированным "холостым" контактом 
Рис. 3б При измерении температуры один из контактов обычно термостатируется (обычно при 273 К - с помощью тающего льда). Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от гелиевых, до нескольких тысяч градусов. В таблице 2 приведены материалы термоэлектродов, из которых обычно делаются термопары, используемые для разных температурных областей. | | Таблица 2 | Диапазон температур, К | Материалы термоэлектродов | 4ё270 | Золото - медь | 70ё800 | Медь - константан | 220ё900 | Хромель - копель | 220ё1400 | Хромель - алюмель | 250ё1900 | Платинородий - платина | 300ё2800 | Вольфрам - рений |
В зависимости от назначения термопары бывают: стационарные и переносные, с влагонепроницаемой, взрывобезопасной, герметичной оболочкой и без нее, виброустойчивые и др. Применение эффекта С помощью явления Зеебека, помимо температуры, можно определять и другие физические величины, измерение которых может быть сведено к измерению температур: силы переменного тока, потока лучистой энергии, давления газа и т.д. Для увеличения чувствительности термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи (рис.4). При этом, все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а все нечетные - при другой. Эдс такой батареи равна сумме термоэдс отдельных элементов. Термобатарея 
Рис. 4 Миниатюрные термобатареи (так называемые термостолбики) с успехом применяют для измерения интенсивности света (как видимого, так и невидимого). В соединении с чувствительным гальванометром они обладают огромной чувствительностью: обнаруживают, например, тепловое излучение человеческой руки. Термобатарея представляет интерес и как генератор электрического тока. Однако использование металлических термоэлементов неэффективно, поэтому для преобразования тепловой энергии в электрическую используются полупроводниковые материалы. Литература  1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.2.- С.76-77.- Т.5.- С.98-99.
2. Электроника. Энциклопедический словарь.- М.: Советская энциклопедия, 1991.- С.530-541, 544-545. 3. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.481-487. 4. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников.- М., 1967.- С.75-83, 292-311. |