Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В

Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением α к металлу, у которого коэффициент термо-ЭДС больше.

Коэффициент термо-ЭДС определяется рядом физических характеристик проводников, составляющих термоэлемент: кон-

центрацией, энергетическим спектром, механизмами рассеяния носителей заряда, а также интервалом температур. В некото-

рых случаях при изменении температуры происходит даже изменение знака α.

Зеебек, подбирая комбинации материалов, дающих наиболее значительный результат в отклонении магнитной стрелки, составил так называемый ряд Зеебека:

PbS, Bi, Ni, …, 0 (Pb), …, Sb, SbZn.

Сейчас известно, что эти материалы расположены в порядке возрастания термо-ЭДС.

Объемная часть термо-ЭДС. Если в металлической про-

волоке путем неравномерного нагрева создается температурный градиент, электроны проводимости, обладающие высокой тепловой скоростью, диффундируют от горячего конца проволоки к холодному. В результате на горячем конце проволоки концентрация электронов уменьшится, а на холодном – увеличится. Внутри проводника появится электрическое поле (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Распределение электронов в неравномерно нагретом материале

91

Его величина такова, что в установившемся состоянии это поле порождает электронный дрейфовый ток, компенсирующий ток диффузии. Таким образом, если в проводнике есть градиент температур, в нем появляется градиент электрического потенциала. В различных материалах один и тот же градиент температуры приведет к различным градиентам электрического потенциала вследствие различия концентрации и подвижности носителей заряда. Принято, что, если электроны диффундируют от горячего конца провода к холодному, в проводе генерируется отрицательная термо-ЭДС относительно горячего конца.

Фононная часть термо-ЭДС. 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 термо-ЭДС (αфон), вклад которой становится определяющим при низких температурах.

Необходимо отметить, что «фононное» и «диффузное» слагаемые термо-ЭДС имеют один и тот же знак, в то время как контактная термо-ЭДС, как правило, противоположна им по знаку.

Термоэлектрические свойства у проводников выражены весьма слабо. Энергия электронов в металлах слабо зависит от температуры, концентрации электронов проводимости имеют одинаковые значения при низких и высоких температурах. У металлов положение уровня Ферми практически не зависит от температуры. Коэффициент термоЭДС для металлов и сплавов не выше нескольких микровольт на кельвин. Величина α у металлов обычно составляет 1-10 мВ/град. В связи с этим преиму-

92

щественное распространение в качестве ТЭ материалов металлы получили в термопарах.

Основоположником теории термоэлектрических преобразователей металлического типа – металлических термопар является немецкий инженер Е. Альтенкирх. Результаты его исследований были впервые опубликованы в 1909 году.

Революционный скачок представлений о термоэлектрических материалах произошел середине 20 столетия благодаря исследованиям советского академика А. Ф. Иоффе, предложившем использовать в качестве материалов для термоэлектрических устройств не металлы, а полупроводники.

В полупроводниках иная ситуация по сравнению с металлами: концентрация носителей заряда (электронов проводимости и дырок), энергия носителей заряда, положение уровня Ферми в гораздо большей степени зависят от температуры. Соответственно по сравнению с металлами температурная зависимость α для полупроводников выражена значительно сильнее. Если для большинства пар металлов коэффициент термо-ЭДС имеет порядок 10-5-10-4 В/К, то для полупроводников он зачастую гораздо больше: до 1,5·10-3 В/К. Для полупроводников с разным типом проводимости α имеет разные знаки, вследствие

чего α12 = α1 + α2 .

Не существует общих эмпирических и теоретических формул, которые охватывали бы термоэлектрические свойства полупроводников в широком интервале температур. Обычно термоэлектродвижущая сила α полупроводника, начиная со значения α=0 при Т=0, растет сначала пропорционально Т, затем более замедленно, часто остается постоянной в некотором интервале температур, а в области высоких температур (более 500К..700К) начинает убывать по закону α 1/Т.

Еще одной отличительной чертой полупроводников является определяющая роль примесей, введение которых позволяет не только во много раз изменять величину, но и менять знак α.

93

3.2.Эффект Пельтье

В1834 году, по прошествии 13 лет после опыта Т. Зеебека, швейцарский физик-любитель часовщик Ж. Пельтье обнаружил, что в электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при пропускании через нее постоянного электрического тока возникает разность температур. Один из спаев цепи нагревался, и это не вызывало удивления – в то время эффект Джоуля был хорошо известен. Другой спай охлаждался, что производило шокирующее впечатление. Более того, изменение направления тока меняло тепловое состояние спаев, т.е. эффект оказался обратимым.

В1838 году в Петербургском Университете академик Э.Х. Ленц впервые заморозил каплю воды на стыке двух металлов Bi

иSb.

Эффект Пельт ье заключается в том, что при пропускании электрического тока I через спай двух различных проводящих материалов на контакте, помимо джоулева тепла, происходит выделение дополнительного тепла Пельтье QP при одном направлении тока и его поглощение при обратном направлении. На величину выделяемого на спае тепла QP и его знак влияют вид контактирующих веществ, сила тока, время его прохождения:

связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье П1 и П2 контактирующих материалов. В такой записи считается, что ток идет от первого материала ко второму. При выделении тепла

Вместо тепла Пельтье часто используют величину, определяемую как тепловая энергия, ежесекундно выделяющаяся на

94

контакте единичной площади, и называющуюся мощност ь т епловыделения (qP ), которая определяется зависимостью:

где j=I/S – плотность тока, S – площадь контакта.

На рис. 3.7 изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами Аи В. Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви - термоэлектродами. Ток в цепи I создается внешним источником ε.

На рис. 3.7, а представлена ситуация, когда на контакте А ток течет от ПП1 к ПП2, что сопровождается выделением тепла Пельтье QP(А)>0; на контакте В ток течет от ПП2 к ПП1, и данный процесс сопровождается поглощением тепла – QP(В)<0. Соответственно, в результате происходит изменение температур спаев: ТА>ТВ.

Рис. 3.7. Выделение и поглощение тепла Пельтье в зоне контакта полупроводниковых материалов: а – выделение тепла Пельтье (контакт А), б – поглощение тепла Пельтье (контакт А)

95