Вернёмся к термоэлектронному явлению Зеебека, а именно, появлению разности потенциалов на термопаре, один спай которой нагрет, другой - охлаждён. Почему возникает, пусть очень маленькая, микровольты на градус, но всё же некая разность потенциалов (напряжение)?
Объяснение в заметочке "Эффекты Зеебека и Пельтье" простое и понятное:
Внешние электронные орбиты атомов металла ПЕРЕКРЫВАЮТСЯ, благодаря чему возникает некая популяция свободных электронов, могущих перемещаться свободно в любые участки металла.
Что они и делают, двигаясь хаотически со скоростями, примерно, в тысячу километров в секунду и имея ПОСТОЯННУЮ И НЕ ЗАВИСЯЩЗУЮ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ, так называемую ,НУЛЕВУЮ ЭНЕРГИЮ в несколько электрон-вольт.
Когда один спай нагревается, а другой охлаждается, на горячем спае внешние орбиты атомов изменяют свою конфигурацию, увеличивая размеры и смещаясь друг относительно друга - приращение тепловой потенциальной энергии атомов. При этом происходит увеличение и перекрытие орбит и это "освобождает" дополнительные электроны. То есть нагрев всегда увеличивает концентрацию свободных электронов в металле (и, конечно, в полупроводниках). Причём их подвижность и хаотические скорости ОСТАЮТСЯ НЕИЗМЕННЫМИ, растёт ЛИШЬ КОНЦЕНТРАЦИЯ свободных электронов в нагретом участке.
(Собственно место соединения двух разных металлов почти НИКАКОЙ РОЛИ в возникновении термоэлектрической разности потенциалов НЕ ИГРАЕТ, это лишь некий клапан, пропускающий скопившиеся электроны в одном, а не сразу в обоих направлениях по металлическому проводнику. Некий потенциальный барьер - контактная разность потенциалов, двойной электрический слой, напряжение Вольта-Гальвани.)
Из-за роста концентрации свободных электронов растёт и их взаимное Кулоновское отталкивание и поэтому облако электронов начинает постепенно диффундировать в сторону БОЛЕЕ НИЗКОГО "электростатическокого давления", а именно, к сторону ХОЛОДНОГО спая. Возникает дисбаланс электронной плотности, что и порождает термоэлектрическую разность потенциалов.
Мы повторяем так детально объяснение эффекта Зеебека, потому, что, не поняв его, мы не сможем правильно объяснить и обратный ему эффект Пельтье!
Главную роль в обоих эффектах, вопреки моим предыдущим попытками найти объяснение, играет один лишь фактор - ЛОКАЛЬНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ.
Теперь сделаем небольшое и НЕ лирическое, но необходимое, отступление. Представим себе некий образец металла, состоящий сплошь из "идеальных атомов", то есть атомов, конфигурация электронных орбит которых ничем не искажена, никакой деформации нет. Что и наблюдается у вещества при температурах, близких к Абсолютному нулю, - 273 градуса по Цельсию. Если данный образец металла находится в состоянии сверхпроводимости, этот абсолютный "покой" его атомов НИЧЕМ (почти) не нарушается. Все или подавляющее большинство свободных электронов объединились в куперовские пары с НУЛЕВЫМ СПИНОМ и значит, нулевым магнитным моментом, и своими спиновыми полями НИСКОЛЬКО НЕ ИСКАЖАЮТ идеальнах орбит атомов.
Гармоничное мирное сосуществование двух противоположностей - двух систем разных частиц - ионов в узлах кристаллической решётки и электронного газа (или жидкости) в пространстве между ионами.
Первый закон диалектики:
Закон единства и борьбы противоположностей:
Единство - относительно.
Борьба - абсолютна.
А что происходит в том же куске металла при комнатной температуре. Свободные электроны с концентрацией 6.5 х 10 в двадцать второй степени в одном кубическом сантиметре шныряют с жуткими скоростями мимо атомов и своими спиновыми, хаотически направленными магнитными полями всё время искажают эти орбиты и нарушают из "природную идеальную гармонию", ДЕФОРМИРУЯ ИХ.!!!
"Идеальные атомы" - это очень ХОЛОДНЫЕ атомы, "вырожденные атомы" с деформированными орбитами - это уже более или менее НАГРЕТЫЕ!
Получается, и мы опять возвращаемся к главной теме, что чем выше концентрация свободных электронов, тем бОльший "орбитальный беспорядок", больше деформированных орбит, они создают своим хаотическим движением. И, чем меньше локальная концентрация свободных электронов, тем в этом месте атомы ближе к состоянию идеальных атомов. Ибо "тревожат" их меньше!
Что происходит при возникновении тока в проводнике?
Всё облако хаотически мечущихсся с огромными скоростями свободных электронов начинает упорядоченно и крайне медленно дрейфовать вдоль проводника, к концам которого приложена разность потенциалов, создано электрическое поле между его концами. Но это не просто движение облака, электронные спины и их магнитные моменты поворачиваются магнитным полем тока, как стрелки компасов в некие коаксиальные кольца и ЭТИМ они начинают сильно сцепляться с магнитными полями атомных орбит, деформируя их так, что в них накапливается потенциальная энергия деформации - ТЕПЛО!
Теперь, представим себе, что мы соединили два разных металла с РАЗНОЙ ПО ИХ ПРИРОДЕ концентрацией свободных электронов. Что ТЕПЕРЬ будет делать электрический ток?
Поскольку ток один и тот же в любом участке цепи, это значит, что в одном металле КОНЦЕНТРАЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ БУДЕТ УВЕЛИЧИВАТЬСЯ (по сравнению с "естественной"), а в другом металле она будет УМЕНЬШАТЬСЯ! А только что мы разобрали, ЧТО это означает для атомных орбит. Там, где концентрация меньше, меньше и деформация орбит, атомы становятся более "идеальными" и ХОЛОДНЫМИ, а там, где концентрация свободных электронов, приносимых током растёт, увеличивается и степень деформации орбит, то есть НАГРЕВ!
Разумеется, и там, где концентрация уменьшается, будет всё равно наблюдаться некоторый нагрев вещества током, но конкурирующий с ним процесс ОХЛАЖДЕНИЯ до некоторой величины тока будет ПРЕОБЛАДАТЬ!
Почему на полупроводниках этот эффект гораздо больше, чем у обычных металлов, проводников?
Потому, что, и именно этим полупроводники отличаются СУЩЕСТВЕННО от обычных проводников, у них концентрация свободных носителей заряда, электронов и дырок, ОЧЕНЬ СИЛЬНО связана с температурой и изменяется во много раз больше, чем у обычных металлов!
Вот мы и пришли к объяснению обоих эффектов, Зеебека и Пельтье с позиций Конфигурационной Теории Электронных Орбит и понятия "идеального атома"!
Faciant meliora potentes
Если я ошибаюсь, пусть меня поправят старшие товарищи.
23 XI 2025