С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 98
Текст из файла (страница 98)
В случае полупроводников, в которых концентрация электронов увеличивается при повышении температуры, появится еще и дополнительный поток диффузии того же направления, вызванный различием концентраций электронов в горячем и холодном концах проводника. Поэтому в проводнике й (на его поверхности) возникнут электрические заряды и внутри проводника образуется электрическое поле такой величины, чтобы в установившемся состоянии вызываемый этим полем ток дрейфа компенсировал ток диффузии.
Следовательно, при наличии в проводнике градиента температуры в нем возникает и градиент электрического потенциала. Сказанное полностью относится и к проводнику 1. Однако термо-ЭДС обусловлена не только возникновением диффузии в объеме, но еще и контактными скачками потенциала с'13 и Цг Так как они зависят от температуры, то сумма их уже не равна нулю. Распределение потенциала в цепи при 465 1 199 твгмоэлвктРичвство неравенстве температур контактов показано на рис.
341 6. Напряжение К, регистрируемое вольтметром и равное термо-ЭДС, складывается из падения напряжения в объеме проводников и скачков потенциала в контактах. Термозлектричество было открыто Зеебеком еще в двадцатых годах прошлого века. Для его наблюдения достаточно присоединить к милливольтметру два куска медной проволоки и замкнуть их куском проволоки из другого материала, например железа.
Пока температура обоих спаев одинакова, милли- вольтметр не обнаруживает никакой ЭДС. Но при нагревании одного из спаев в цепи появляется термо-ЭДС и стрелка милли- вольтметра отклоняется. Если нагретый спай охладить и затем нагреть другой спай, то знак термо-ЭДС изменяется и стрелка милливольтметра отклоняется в другую сторону.
В табл. 18 приведены значения термо-ЭДС в милливольтах для некоторых особенно употребительных пар металлов (температура холодного спая 0 'С). Таблица 16 Термо-ЭДС цепи, составленной из двух различных проводников 1 и 9, при малой разности температур ЬТ межлу обоими спаями выражается формулой ЬЖ = (а1 — аз)ЬТ, (199.1) где а1 зависит от природы проводника 1, а аг -- от природы проводника Я.
Эти величины зависят также от температуры, и поэтому ЬТ в приведенной формуле должно быть мало. Формула (199.1) показывает, что термо-ЭДС цепи есть разность термо- ЭДС каждого из плеч цепи, и что в каждом из проводников возникает термо-ЭДС ЬФ, = О,ЬТ (4 = 1, 2). Величина а = ое/й (199.2) называется дифференциальной термо-ЭДС данного вещества. Она равна термо-ЭДС, развивак1щейся в данном проводнике при разности температур между его концами в 1 К. ГЛ Х1Х ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ При немалой разности температур обоих спаев термо-ЭДС равна Те (гт! — гт2) гсТ, (199.3) Тс где Тт — температура холодного сная, а Т2 — горячего.
Если в данном температурном интервале (Т2 — Т1) величины гхт и тт2 изменяются слабо, то вместо формулы (199.3) получаем 6 (ге 1 ст2) (Т2 Т1 ) (199 А) Здесь гтт и гт2 — средние значения дифференциальных термо- ЭДС в данном температурном интервале. Чтобы определить не только величину, но и направление термоэлектрического тока, дифференциальной термо-ЭДС приписывают определенный знак. Величина гт счптпаепсся полоыгсиггселыной, если возииеиюпсий ы тсроыовтсиее тгсермотвон тгсечепс отгс горячего конца н холодному.
Или, другими словами, в замкнутой цепи термоток течет в горячем спае от проводника с меньшим ст (элгебраически) к проводнику с ббльшим гт. В табл. 19 в качестве примера даны средние значения сх в микровольтах на градус кельвина в температурном интервале 0 — 100 'С для некоторых металлов., измеренные относительно платины. Тьблииа 19 Абсолютные значения гт получаются из приведенных в таблице прибавлением гтгс — — — 4,4 мкВгсК 1). Так, для сурьмы имеем: ствь = +47,0 — 4,4 = 42,6 = 43 мкВггК. Рассмотрим, например, термопару железо — константан. Дифференциальная термо-ЭДС этой цепи равна +16с0 — ( — 34,4) = + +50,4 мкВггК.
При разности температур спаев Т2 — Т, = 100 К термо-ЭДС этой пары будет +50,4 ° 100 мкВ = 5,04 мВ. Ток в горячем спае будет течь от константана ( — 34,4) к железу (+16,0). Из приведенных таблиц видно, что термо-ЭДС у металлов мала. Однако для полупроводников она намного больше и сильно зависит от содержащихся в них примесей. Для некоторых полупроводниковых соединений дифференциальная термо-ЭДС ') Значение онс получено при Т = О 'С 4б7 1 200 ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ может достигать значений 1000 мкВ/К и даже больше.
Поэтому в цепи, составленной из полупроводника и металла, термо-ЭДС цепи очень слабо зависит от рода металла и определяется практически только полупроводником. й 200. Эффект Пельтье Опыт показывает, что кроме тепла Джоуля-Ленца, выделяемого током в объеме проводника, наблюдаются тепловые явления в контакте двух различных проводников, даже если зти проводники первоначально находятся при одинаковой температуре.
В контакте, через который проходит ток, происходит, в зависимости от направления тока, выделение или поглощение тепла, и контакт либо нагревается, либо К в т охлаждается. Это явление получило название эффектна Лельтлье. Для демонстрации эффекта 1 2 Пельтье может служить опыт, изображенный на рис. 342. Здесь 1 и 2 — два стержня из различных проводников, соединенные между собой. Стержни герметически укреплены при помощи замазки внутри стеклянного баллона, снабженного горизонтальной трубкой Т, в которой находится капля воды В. Стеклянный баллон может соединяться с атмосферой или отъединяться от нее при помощи Рис 342 Наблюдение эффекта крапа К и служит в качестве газового термометра.
При нагревании спая давление внутри баллона увеличивается и капля перемещается вправо; при охлаждении спая капля движется в обратном направлении. Для опыта удобно выбрать стержни из сурьмы (ЯЬ) и висмута (Вт). При направлении тока от ЯЬ к В1 спай нагревается. Тепло Пельтье Яп, выделенное или поглощенное в спае, пропорционально полному заряду о, прошедшему через спай, или произведению силы тока 4 на время 1: Яп = Пд = ПИ. (200. 1) Коэффициент П зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температуры и называется коэффициентпом Лельтпье.
В дальнейшем мы будем считать тепло Яп положительным, если опо выделяется в спас. Чтобы учесть в формуле (200.1) направление тока, мы будем обозначать там, где зто потребуется, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КО1ГГАКТАХ ГЛ. Х1Х Число электронов, проходяп1их через единичную площадку, перпендикулярную к направлению тока, в единицу времени, равно М = «/е, Энергия каждого электрона складывается из его кинетической энергии И'~ и потенциальной энергии — еу. Если Р'к есть средняя кинетическая энергия для рассматриваемой группы У электронов, то поток энергии равен « Р = — — (И'" — еу).
е (200.2) Подчеркнем, что 1т'„ не равно просто средней кинетической энергии равновесного электронного газа, которая в классической теории есть коэффициент Пельтье через Ппь если ток течет от проводника 1 к проводнику е, и через П21, если ток имеет противоположное направление. Так как в обоих случаях количество тепла Пельтье одинаково, но только изменяется его знак, то Пгз = — П21. Отметим, что между явлением Пельтье и выделением тепла Джоуля — Ленца имеются существенные различия. Тепло Джоуля-Ленца пропорционально квадрату силы тока и не зависит от направления тока.
Тепло же Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при перемене направления тока. Далее, тепло Джоуля-Ленца зависит от сопротивления проводника, тогда как тепло Пельтье от него пе зависит. Если в (200.1) измерить Яп в джоулях, а д — в кулонах, то коэффициент Пельтье П будет выражен в джоулях на кулон или в вольтах. Опыт показывает, что для большинства различных пар металлов коэффициент Пельтье имеет величину порядка 10 «в — 10 з В. Для полупроводников коэффициент Пельтье, так же как и термо-ЭДС, иа несколько порядков больше.
В обычных условиях тепло Пельтье мало по сравнению с теплом Джоуля — Ленца. Поэтому, чтобы последнее не затушевывало тепло Пельтье, нужно по возможности уменьшить тепло Джоуля — Ленца, а для этого следует применять достаточно толстые проводники, обладающие малым сопротивлением. Происхождение тепла Пельтье объясняется следующим образом. Каждый электрон при своем движении переносит не только свой заряд, но и присущую ему энергию. Поэтому при наличии электрического тока в проводнике возникает определенный поток энергии. Он существует и в том случае, когда температура во всех точках проводника одинакова и переноса энергии вследствие теплопроводности иет. Направление потока энергии совпадает с направлением движения электронов, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
