Ջերմաէլեկտրական երևույթներ

Ջերմաէլեկտրական երևույթներ, ջերմաէլեկտրականություն, ֆիզիկական երևույթներ, որոնք պայմանավորված են մետաղներում և կիսահաղորդիչներում ջերմային և էլեկտրական երևույթների փոխադարձ կապով։

Հայտնի են Զեեբեքի, Պելտյեի և Թոմսոնի երևույթները։

Զեեբեկի երևույթ

Եթե տարասեռ հաղորդիչներից կազմված փակ շղթայում հաղորդիչների կցատեղերը (կոնտակտներ) պահվեն տարբեր ջերմաստիճաններում, ապա շղթայում կառաջանա ջերմաէլեկտրաշարժ ուժ (ջերմաէլշու)։ Երկու տարբեր հաղորդիչներից կազմված պարզագույն էլեկտրական շղթան կոչվում է ջերմատարր կամ ջերմազույգ։ Ջերմաէլշուի մեծությունը կախված է հաղորդիչների տեսակից և կցատեղերի ջերմաստիճանների տարբերությունից։ Ջերմաստիճանների ոչ մեծ տիրույթում $E$ ջերմաէլշուն կարելի է համարել համեմատական ջերմաստիճանների տարբերությանը՝ $E=\alpha (T_{1}-T_{2})$։ $\alpha$ գործակիցը կոչվում է ջերմազույգի ջերմաէլեկտրական ունակություն (նաև ջերմաուժ, ջերմաէլշուի գործակից կամ տեսակարար ջերմաէլշու) և ընդհանուր դեպքում կախված է հաղորդիչների տեսակից և ջերմաստիճանների տիրույթից։

Պելտյեի երևույթ

Երբ տարասեռ հաղորդիչներից կազմված փակ շղթայով հոսանք է անցնում, ապա հաղորդիչների կցման տեղերում, հոսանքի ուղղությունից կախված, որպես ջոուլյան ջերմության լրացում, անջատվում կամ կլանվում է ջերմության որոշակի քանակ ($Q_{p}$), որը համեմատական է կցատեղով անցած լիցքի $q$ քանակին։ $Q_{p}=P\cdot q=PIt$ ($I$-ն հոսանքի ուժն է, $t$-ն՝ ժամանակը)։ Պելտիեի $P$ գործակիցը կախված է կցված հաղորդիչների տեսակից և ջերմաստիճանից։

Թոմսոնի երևույթ

Եթե հաղորդիչի երկայնքով ջերմաստիճանը փոխվում Է, այսինքն կա ջերմաստիճանային գրադիենտ, ապա հաղորդիչում ջոուլյան ջերմության հետ մեկտեղ, հոսանքի ուղղությունից կախված, անջատվում կամ կլանվում է ջերմության լրացուցիչ քանակ, այսպես կոչված, թոմսոնյան ջերմություն՝ $Q_{T}=\tau (T_{2}-T_{1})It$, որտեղ $\tau$–ն Թոմսոնի գործակիցն է և կախված է նյութի տեսակից։ Թոմսոնը որոշակի առնչություններ է ստացել $\alpha ,P$ և $\tau$ գործակիցների միջև․ $P=\alpha T,d\alpha /dT=(\tau _{1}-\tau _{2})$։

Ջերմաէլեկտրական երևույթների, մասնավորապես Զեեբեկի երևույթի բացատրության համար կարևոր է այն հանգամանքը, որ հաղորդականության Էլեկտրոնների միջին էներգիան կախված է հաղորդիչի տեսակից և ջերմաստիճանի փոփոխման հետ փոխվում է տարբեր ձևով։ Եթե հաղորդիչի երկայնքով կա ջերմաստիճանային գրադիենտ, ապա տաք ծայրի Էլեկտրոնները կունենան ավելի մեծ Էներգիա և արագություն, քան սառը ծայրի Էլեկտրոնները, որի հետևանքով կառաջանա Էլեկտրոնների հոսք՝ տաք ծայրից դեպի սառը։ Սառը ծայրում կկուտակվեն բացասական լիցքերը, իսկ տաք ծայրում կմնան չհամակշռված դրական լիցքերը։ Լիցքի վերաբաշխման պրոցեսը հաղորդիչում կշարունակվի մինչև շարժուն հավասարակշռության հաստատումը, որի դեպքում սկզբնական հոսքը համակշռվում է հակառակ ուղղությամբ (սառը ծայրից դեպի տաքը) առաջացած հոսքով։ Այս ձևով ծագած պոտենցիալների տարբերությունը ջերմաէլշուի բաղադրիչներից մեկն է (ծավալային ջերմաէլշու)։ Ջերմաէլշուի մյուս՝ կոնտակտային բաղադրիչը պայմանավորված է պոտենցիալների կոնտակտային տարբերության ջերմաստիճանային կախումով։ Ջերմաէլշուի մեջ ներդրում ունի նաև ֆոնոններով էլեկտրոնների տարվելու երևույթը։ Ջերմաստիճանի գրադիենտի առկայության դեպքում մարմնի տաք մասից դեպի սառը շարժվող ֆոնոնների թիվն ավելի մեծ կլինի, քան հակառակ ուղղությամբ շարժվողներինը։ Ֆոնոնների արդյունարար հոսքը էլեկտրոնֆոնոն բախումների շնորհիվ լրացուցիչ իմպուլս կհաղորդի էլեկտրոններին՝ տանելով դրանք իր շարժման ուղղությամբ, որի հետևանքով սառը մասում բացասական (տաք մասում՝ դրական) լիցքի կուտակումը կշարունակվի այնքան ժամանակ, մինչև որ առաջացած պոտենցիալների տարբերությունը համակշռի ֆոնոններով էլեկտրոնների տարվելու երևույթը։ Ջերմաէլշուի մեջ ներդրում ունի պոտենցիալների հենց այս տարբերությունը։

Մետաղներում հաղորդականության էլեկտրոնների խտությունը հաստատուն է և բավական մեծ, իսկ միջին էներգիան գործնականում կախված չէ ջերմաստիճանից, այդ պատճառով մետաղներում ջերմաէլշուն չափազանց փոքր է։ Ջերմաէլշուն համեմատաբար մեծ արժեքների կարող է հասնել կիսամետաղներում և դրանց համաձուլվածքներում։ Էլեկտրոնային և խոռոչային հաղորդականություն ունեցող նյութերում (մասնավորապես կիսահաղորդիչներում) ջերմաստիճանային գրադիենտի առկայության դեպքում և՛ էլեկտրոնները, և՛ խոռոչները դիֆուզվում են դեպի սառը կցատեղը։ Էլեկտրոնների և խոռոչների հավասար խտության և շարժունության դեպքում ջերմաէլշուն կհավասարվի զրոյի։ Եթե էլեկտրոնները շարժվում են հաղորդիչի տաք մասից դեպի սառը մասը, և հոսանքի ուղղությունը համապատասխանում է այդ շարժմանը, ապա էլեկտրոններն իրենց ավելցուկային էներգիան հաղորդում են բյուրեղային ցանցին (ջերմության անջատում)։ Հոսանքի հակառակ ուղղության դեպքում էլեկտրոնները բյուրեղային ցանցի ատոմներից կլանում են պակասող էներգիան (ջերմության կլանում)։ Սրանով է բացատրվում Թոմսոնի երևույթը։

Պելտիեի երևույթի բացատրության հիմքում ընկած է այն փաստը, որ հաղորդականության էլեկտրոնների միջին էներգիան կախված է հաղորդիչի գոտիական կառուցվածքից, էլեկտրոնների խտությունից, դրանց ցրման մեխանիզմից և, հետևաբար, տարբեր հաղորդիչներում տարբեր է։ Մի հաղորդիչից մյուսն անցնելիս, հոսանքի ուղղությունից կախված, էլեկտրոնները կամ տալիս են իրենց ավելցուկային էներգիան (այդ դեպքում կցատեղում ջերմություն է անջատվում) կամ ստանում իրենց պակասող էներգիան (կցատեղում ջերմություն է կլանվում)։

Այսպիսով, բոլոր ջերմաէլեկտրական երևույթների պատճառը լիցքակիրների հոսքում ջերմային հավասարակշռության խախտումն է։ Ջերմաէլեկտրական գործակիցների բացարձակ արժեքները լիցքակիրների խտության նվազմանը զուգընթաց աճում են, ուստի կիսահաղորդիչներում դրանք տասնյակ և հարյուրավոր անգամ ավելի մեծ են, քան մետաղներում և դրանց համաձուլվածքներում։

Ջերմաէլեկտրական երևույթների վրա է հիմնված ջերմատարրերի գործողության սկզբունքը, որոնք հնարավորություն են տալիս ջերմային, արեգակնային և միջուկային էներգիաներն անմիջականորեն փոխակերպել էլեկտրականի։

Տես նաև

• Մետաղաֆիզիկա
• Գոտիների տեսություն

Գրականություն

• Ландау Л. Д․, Лифшиц Е․ М․, Электродинамика сплошных сред, М․, 1959;
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Изд. 4-е, стереотипное. — М.։ Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — 656 с. — 5000 экз. — ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5..

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից  (հ․ 9, էջ 489)։