Efekt Peltiera

Efekt Peltiera – jedno ze zjawisk termoelektrycznych w ciałach stałych, polega na wydzielaniu lub pochłanianiu energii, pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze. W wyniku pochłaniania energii na jednym złączu i wydzielania energii na drugim, pomiędzy złączami powstaje różnica temperatur. Jest odwrotne do efektu Seebecka. Zjawisko po raz pierwszy zostało zaobserwowane w 1834 roku przez Jeana Peltiera.

Efekt Peltiera zachodzi na granicy dwóch różnych przewodników lub półprzewodników (n i p) połączonych dwoma złączami (tzw. złącza Peltiera). Podczas przepływu prądu jedno ze złącz ulega ogrzaniu, a drugie ochłodzeniu. Ochłodzeniu ulega złącze, w którym elektrony przechodzą z przewodnika o niższym poziomie Fermiego do przewodnika o wyższym. Po zmianie kierunku przepływ prądu na przeciwny, zjawisko ulega odwróceniu (ze względu na symetrię złącz).

Ciepło pochłaniane przez "zimne" złącze i wydzielane w złączu "gorącym" jest opisywane równaniem:

$\frac{dQ}{dt} = \Pi _{AB} I$

gdzie:

$\Pi$_AB - współczynnik Peltiera układu

Natura zjawiska Peltiera

Uproszczony model złącza metal-półprzewodnik. Oznaczenia: W_F – poziom Fermiego, W_C – położenie pasma przewodnictwa w półprzewodniku, ΔW_K – średnia energia kinetyczna elektronów w paśmie przewodnictwa

Gdy do złącza przyłożone zostanie pole elektryczne (w zaznaczonym kierunku), to elektrony będą przechodziły z pasma przewodnictwa półprzewodnika do metalu, przy czym będą zmuszone w sąsiedztwie styku oddać zgromadzoną energię potencjalną o wartości ΔW (ΔW=Q=$\Pi$_AB e). Energia ta to ciepło Peltiera, pochłaniane / wydzielające się w sąsiedztwie złącza podczas transportu przez nie ładunku równego jednemu elektronowi.

Jeżeli pole elektryczne E skierowane jest przeciwnie, to z metalu do półprzewodnika mogą przejść jedynie elektrony o odpowiednio wysokiej energii kinetycznej (tzw. gorące elektrony). Zubożenie obszaru przyległego do złącza w wysokoenergetyczne elektrony prowadzi do obniżenia średniej energii elektronów w paśmie, a w konsekwencji do obniżenia temperatury sieci krystalicznej, od której tę energię pobierają, dochodząc do równowagi termodynamicznej (okolica złącza ochładza się). Energia, wydzielana wynosi:

ΔW=W_C-W_F+ΔW_K

Energię kinetyczną elektronów można określić ze wzoru:

ΔW_K=(r+2)kT

gdzie:

• r=0-2 (w zależności od mechanizmu rozpraszania nośników ładunku),
• k – stała Boltzmanna,
• T – temperatura.

Przy określaniu wartości współczynnika Peltiera nie uwzględnia się roli metalu elektrody, ponieważ efekt Peltiera jest w przypadku półprzewodników wyższy o rząd wielkości niż w przypadku metali.

Zobacz też

• Zjawisko Seebecka
• Zjawisko Thomsona
• Ogniwo Peltiera