3.2. Термоэлектрические явления

К термоэлектрическим явлениям относятся:

1) Эффект Зеебека. Если спаи двух разнородных проводников, образующих замкнутую цепь, поддерживать при различных температурах, то в такой цепи возникает электрический ток.

Р ассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных проводников 1 и 2 (рис.3.3). Если спаи «а» и «б» имеют различные температуры , то в цепи возникает электродвижущая сила прямо пропорциональная разности температур спаев:

.

Термопара – термоэлектрический термометр, способный измерять очень высокую температуру. В ее основе лежит эффект Зеебека.

2 ) Эффект Пельтье. Если взять такое же соединение проводников и пропустить электрический ток, то, помимо выделения джоулевой теплы, в одном спае происходит выделение дополнительной теплоты и он будет нагреваться, а другой спай – охлаждаться (рис 3.4).

Проводники подобраны так, что при их соединении первый заряжается положительно, а второй – отрицательно. Ток в таком случае идет по часовой стрелке, а движение электронов в цепи идет в противоположном направлении. В спае «б» движение электронов ускоряется полем, их кинетическая энергия возрастает, и спай «б» охлаждается. В контакте «а» поле замедляет движение электронов, и они отдают свою энергию спаю «а», в результате он нагревается.

3.3. Электрический ток в вакуумном диоде

Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов нагретыми металлами. Исследован ие закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы – вакуумного диода, представляющего собой баллон с откачанным воздухом, внутри которого находятся катод и анод, расположенные коаксиально (рис 3.5). Катод накаливается и испускает электроны. Количество испускаемых катодом электронов зависит от температуры (напряжения нити накала). Если подать положительное напряжение на анод , наблюдается направленное движение электронов от катода к аноду. Сила анодного тока равна заряду электронов, достигших анода за 1с. Число электронов, выле-

тающих из катода за 1с при постоянной температуре – постоянно, а количество электронов, достигших анода, зависит от анодного нап ряжения . График зависимости силы анодного тока от анодного напряжения называется вольт-амперной характеристикой вакуумного диода (рис.3.6). При малых значениях анодного напряжения эта зависимость имеет нелинейный характер и подчиняется закону Богуславского-Ленгмюра . При достижении напряжения сила тока принимает максимальное значение I_нас, называемое током насыщения. Это означает, что при достаточно сильном электрическом поле катод-анод все электроны, вылетевшие из катода за 1с, долетают до анода за 1с.

Электронная эмиссия используется в рентгеновских трубках, электронных микроскопах, электронных лампах.

3.5. Собственная и примесная проводимость полупроводников

По электрическим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Различают собственные и примесн ые полупроводники. К собственным полупроводникам относятся чистые элементы (Ge, Si). Рассмотрим кристалл германия Ge (рис 3.7). Каждый атом в кристаллической решетке кристалла Ge связан четырьмя двухэлектронными ковалентными связями с соседними атомами. При температуре Т=0 К диэлектрик не имеет свободных зарядов. При повышении температуры тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей, и электроны, покинувшие свое место, становятся свободными. Место, оставленное электроном, обладает избыточным положительным зарядом и называется дыркой. Под действием внешнего электрического поля наблюдается направленное движение электронов против поля, дырок – по полю. В кристалле появляется электрический ток. Такая проводимость называется собственной.

П роводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной. Рассмотрим кристалл германия Ge с небольшой добавкой мышьяка (As). Мышьяк – элемент Y группы, имеет пять валентных электронов. При внедрении в решетку Ge четыре электрона As образуют ковалентные связи с атомом Ge, а пятый электрон Аs становится слабо связанным и легко отщепляется при тепловых колебаниях решетки (рис 3.8). При наличии внешнего электрического поля наблюдается движение электронов, следовательно, появляется электрический ток. Образованный положительный заряд связан с атомом Аs и не способен перемещаться. Такие примеси называются донорными, проводимость – электронной, а полупроводник – n-типа.

Е сли в кристалл Ge (рис. 3.9) ввести небольшое количество трехвалентного Al, то для образования ковалентных связей с германием алюминию не будет хватать одного электрона. Недостающий четвертый электрон может быть захвачен у соседнего атома Ge, у которого образуется дырка (+). Присоединив один электрон, атом Al становится отрицательно заряжен. При внесении во внешнее электрическое поле дырки способны перемещаться. Примеси, вызывающие появление дырок, называются акцепторными, проводимость – дырочной, полупроводники – р-типа.