EssayAI
Блог
Блог
Естественные науки

Эффект Нернста-Эттингсгаузена: поперечная ЭДС в поле

17 марта 2026Время чтения: 9 минут
#эффект Нернста-Эттингсгаузена#термомагнитный эффект#эффект Зеебека#термоэлектричество#гальваномагнитные явления
Эффект Нернста-Эттингсгаузена: поперечная ЭДС в поле

В 1886 году Вальтер Нернст и Альберт фон Эттингсгаузен, работая в лаборатории Больцмана в Граце, заметили: если поместить брусок висмута в магнитное поле и греть один его край, между двумя боковыми гранями появляется напряжение. Открытие стало архетипом термомагнитного явления - отклика, где смешаны термоэлектричество и магнитное поле. Сегодня эффект Нернста-Эттингсгаузена снова актуален: на нём держится поиск термоэлектриков с высоким ZTZT, диагностика тяжелофермионных систем и аномальный отклик в магнитных вейлевских полуметаллах.

Определение: поперечная ЭДС без тока

Возьмём прямоугольный образец, через который не течёт ток. По оси xx задан градиент температуры ∂xT\partial_x T (один край горячее другого). По оси zz приложено магнитное поле BzB_z. Тогда поперёк образца, по оси yy, возникает электрическое поле:

Ey=N Bz ∂xTE_y = N\, B_z\, \partial_x T

Это и есть прямой эффект Нернста-Эттингсгаузена (часто пишут просто «эффект Нернста», когда речь о поперечной ЭДС от градиента температуры). Коэффициент NN называют коэффициентом Нернста, его размерность - В/(К⋅\cdotТл) или эквивалентно м2^2/(К⋅\cdotс).

Ключевая особенность: продольного тока нет - есть только поток тепла. Поле EyE_y компенсирует отклонение диффундирующих носителей силой Лоренца, аналогично тому, как в обычном эффекте Холла поле компенсирует силу Лоренца на токе.

Обратный эффект Эттингсгаузена: ток создаёт поперечный градиент

Если поменять причину и следствие местами, получим обратный эффект (его и называли «эффектом Эттингсгаузена», когда нужно различить две стороны медали). Через образец пускают ток jxj_x, в поле BzB_z возникает поперечный градиент температуры:

∂yT=P jx Bz\partial_y T = P\, j_x\, B_z

Коэффициент PP - коэффициент Эттингсгаузена. С коэффициентом Нернста его связывает соотношение Бриджмена (термодинамическое тождество Онсагера):

P=N TκP = \frac{N\, T}{\kappa}

где κ\kappa - теплопроводность. На обратном эффекте Эттингсгаузена работают термомагнитные холодильники: ток + магнитное поле создают разницу температур поперёк образца - без всякого внешнего нагревателя. У висмута и его сплавов эффект достаточно силён, чтобы в 1950–1970-х годах строить лабораторные термомагнитные охладители на жидкий азот.

Чтобы не считать коэффициенты руками и сразу прикинуть, какая поперечная ЭДС получится в реальных условиях, собери запрос ниже. Выбираешь материал (Bi, графен у точки Дирака, тяжелофермионная Ce-система или магнитный топологический полуметалл), задаёшь магнитное поле и градиент температуры, выбираешь, что считать - поле Нернста, коэффициент NN, эффект Эттингсгаузена или вклад в ZTZT.

Связь с эффектами Зеебека и Холла: тензор кинетических коэффициентов

Эффекты Зеебека, Холла, Нернста и Эттингсгаузена - это четыре проекции одного объекта: тензора отклика электрического тока jj и теплового потока qq на электрическое поле EE и градиент температуры ∇T\nabla T при наличии магнитного поля BB. В линейном приближении:

ji=σij(B) Ej−αij(B) ∂jTqi=T αij(B) Ej−κij(B) ∂jT\begin{aligned} j_i &= \sigma_{ij}(B)\, E_j - \alpha_{ij}(B)\, \partial_j T \\ q_i &= T\, \alpha_{ij}(B)\, E_j - \kappa_{ij}(B)\, \partial_j T \end{aligned}

где σij\sigma_{ij} - тензор электропроводности, αij\alpha_{ij} - термоэлектрический тензор (его симметричная диагональная часть даёт коэффициент Зеебека SS), κij\kappa_{ij} - тензор теплопроводности. В магнитном поле все три тензора приобретают антисимметричные компоненты σxy,αxy,κxy\sigma_{xy}, \alpha_{xy}, \kappa_{xy}.

При условии j=0j = 0 (разомкнутая цепь) из первого уравнения получаем:

Ei=ρij αjk ∂kTE_i = \rho_{ij}\, \alpha_{jk}\, \partial_k T

Продольная компонента Ex=S ∂xTE_x = S\, \partial_x T - это эффект Зеебека. Поперечная компонента EyE_y при ∂xT≠0\partial_x T \neq 0 - это эффект Нернста-Эттингсгаузена:

N=1B⋅αxyσxx−αxxσxyσxx2+σxy2N = \frac{1}{B}\cdot\frac{\alpha_{xy}\sigma_{xx} - \alpha_{xx}\sigma_{xy}}{\sigma_{xx}^2 + \sigma_{xy}^2}

Видно, что коэффициент Нернста - не просто «холловский партнёр Зеебека»: в нём сцеплены и термоэлектрический тензор αij\alpha_{ij}, и проводимость σij\sigma_{ij}. В пределе слабого поля и одной зоны носителей формула упрощается до теоремы Сондхеймера: N∝(kB2T/eεF) τ′(εF)N \propto (k_B^2 T / e \varepsilon_F)\, \tau'(\varepsilon_F) - коэффициент Нернста чувствителен к производной времени релаксации по энергии на уровне Ферми, поэтому он информативнее, чем Зеебек, для диагностики тонких особенностей электронной структуры.

Типичные значения и материалы

Величина коэффициента NN - от единиц нВ/(К⋅\cdotТл) в обычных металлах до сотен мкВ/(К⋅\cdotТл) в специальных системах. Полезные ориентиры:

  • Висмут. Исторический эталон: N∼10N \sim 10–5050 мкВ/(К⋅\cdotТл) при комнатной температуре, до нескольких мВ/(К⋅\cdotТл) при T∼4T \sim 4 К. Малая эффективная масса и большая длина свободного пробега дают рекордные значения.
  • Графен у точки Дирака. Из-за линейного спектра энтропия квазичастиц расходится при μ→0\mu \to 0, и коэффициент Нернста становится аномально большим: пики NN в десятки мкВ/(К⋅\cdotТл) даже при комнатной температуре. Это прямой пробник дираковской физики.
  • Тяжелофермионные системы (CeCoIn5_5, URu2_2Si2_2, CeRu2_2Si2_2). Большая эффективная масса m∗∼100 mem^* \sim 100\, m_e - заметный сигнал Нернста, особенно вблизи квантовой критической точки, где он часто меняет знак и используется как индикатор реструктуризации поверхности Ферми.
  • Магнитные топологические полуметаллы (Co3_3Sn2_2S2_2, Mn3_3Sn, Mn3_3Ge). Здесь работает аномальный эффект Нернста - поперечная ЭДС, связанная с намагниченностью и кривизной Берри вблизи вейлевских узлов. Получены значения Sxyano∼5S_{xy}^{ano} \sim 5–1010 мкВ/К в нулевом поле - рекорды среди магнитных проводников.

Применения: сенсоры и поиск термоэлектриков

Эффект Нернста-Эттингсгаузена работает в двух прикладных направлениях.

Термомагнитные сенсоры. Прямой эффект - это датчик одновременно теплового потока и магнитного поля. Чувствительные элементы из висмута и его сплавов использовали в инфракрасных болометрах и датчиках слабых полей в 1960-х; для специальных задач (высокое TT, экстремальные поля) термомагнитные элементы остаются конкурентоспособны.

Поиск термоэлектриков с высоким ZTZT. Обычная термоэлектрическая добротность определяется как ZTSeebeck=S2σT/κZT_{Seebeck} = S^2 \sigma T / \kappa и упирается в потолок ~2 для лучших современных материалов. В термомагнитной геометрии играет другая фигура:

ZTNernst=N2B2 σ TκZT_{Nernst} = \frac{N^2 B^2\, \sigma\, T}{\kappa}

Принципиальное преимущество: устройство - однородная пластина в магнитном поле, никаких p-n-переходов, никакого подгона легирования. Если найти материал с NN, сопоставимым по «оптимизированности» с SS обычных термоэлектриков, в магнитном поле получится термоэлектрик нового типа. Сейчас на эту роль активно тестируют магнитные вейлевские полуметаллы (Co3_3Sn2_2S2_2, Fe3_3Ga и др.), где аномальный эффект Нернста работает даже без внешнего BB.

Аномальный эффект Нернста в магнитных системах

В магнитоупорядоченных проводниках, как и в аномальном эффекте Холла, разделяют обычный и аномальный Нернст:

Ey=N0 Bz ∂xT+NA Mz ∂xTE_y = N_0\, B_z\, \partial_x T + N_A\, M_z\, \partial_x T

Аномальный коэффициент NAN_A не связан с внешним полем напрямую - он отражает намагниченность MzM_z и определяется кривизной Берри Ωz(k)\Omega_z(k) заполненных зон в области уровня Ферми. По формуле Мотта:

αxyano=−π23⋅kB2Te⋅∂σxyano∂ε∣εF\alpha_{xy}^{ano} = -\frac{\pi^2}{3}\cdot \frac{k_B^2 T}{e}\cdot \left.\frac{\partial \sigma_{xy}^{ano}}{\partial \varepsilon}\right|_{\varepsilon_F}
  • аномальный термоэлектрический отклик пропорционален производной аномальной проводимости Холла. Из-за этой производной аномальный эффект Нернста часто ярче аномального эффекта Холла как зонда вейлевских точек: производная подсвечивает узкие пики σxyano(ε)\sigma_{xy}^{ano}(\varepsilon), которые в самом σxyano\sigma_{xy}^{ano} интегрально сглажены. В курсе физики твёрдого тела по термомагнетизму обычно требуется: из зависимости Ey(B)E_y(B) при фиксированном ∂xT\partial_x T найти NN и сравнить с теорией одной зоны; по двум измерениям (SS и NN как функции TT) восстановить производную τ′(εF)\tau'(\varepsilon_F); для магнитного материала разделить N0N_0 (линейный по BB) и NAN_A (плато по намагниченности) на кривой Ey(B)E_y(B); через соотношение Бриджмена оценить поперечный градиент ∂yT\partial_y T, который создаст заданный ток jxj_x в висмуте.

Частые ошибки

  • Путают эффект Нернста с эффектом Зеебека. Зеебек - продольная ЭДС от продольного градиента температуры, без магнитного поля. Нернст - поперечная ЭДС, требует и градиента, и магнитного поля одновременно.
  • Считают, что NN - это «холловский партнёр SS». Формула через тензор показывает, что в NN замешаны и αxy\alpha_{xy}, и σxy\sigma_{xy} - это не просто «Зеебек, повёрнутый магнитным полем».
  • Игнорируют соотношение Бриджмена. При расчёте обратного эффекта Эттингсгаузена пишут P=N BP = N\, B, забывая множитель T/κT/\kappa.
  • Меряют аномальный Нернст без вычитания N0BN_0 B. В магнитном материале нужно строить Ey(B)E_y(B) и экстраполировать линейный «хвост» к B=0B = 0 - отрезок и есть NAMsN_A M_s.
  • Пробуют посчитать NN через формулу Сондхеймера для произвольной системы. Она верна для слабого поля и одной зоны; в висмуте уже при умеренных BB нужен полный тензорный расчёт.

FAQ

Чем эффект Нернста-Эттингсгаузена отличается от эффекта Холла? Эффект Холла - поперечная ЭДС от продольного электрического тока в магнитном поле. Эффект Нернста - поперечная ЭДС от продольного градиента температуры в магнитном поле. Холл регистрируют при ∂xT=0\partial_x T = 0, Нернст - при jx=0j_x = 0. Это два разных столбца кинетического тензора отклика, связанные через σij\sigma_{ij} и αij\alpha_{ij}.

Почему коэффициент Нернста больше у материалов с малой эффективной массой? Через формулу Сондхеймера N∝kBT/εFN \propto k_B T / \varepsilon_F: чем меньше Ферми-энергия (а значит больше «термический» отклик квазичастиц), тем больше отношение kBT/εFk_B T / \varepsilon_F при той же температуре. В висмуте εF\varepsilon_F из-за полуметалличности мала, в графене у точки Дирака формально стремится к нулю - отсюда рекордные значения NN.

Можно ли использовать аномальный эффект Нернста для термоэлектрики без магнитного поля? Да - это именно то, чем интересны магнитные вейлевские полуметаллы. В Co3_3Sn2_2S2_2 и Mn3_3Sn внутренняя намагниченность задаёт ненулевой NAN_A даже при Bext=0B_{ext} = 0. Получается «термоэлектрик в поперечной геометрии» без внешнего поля и без p-n-перехода - однородная плёнка с собственной магнитной структурой. Сегодня это активная область поиска новых поколений термоэлектриков.

Коротко

Эффект Нернста-Эттингсгаузена - поперечная ЭДС в проводнике с продольным градиентом температуры в магнитном поле, Ey=NBz∂xTE_y = N B_z \partial_x T, без продольного тока. Его обратная сторона - эффект Эттингсгаузена: продольный ток в поле создаёт поперечный градиент температуры, ∂yT=PjxBz\partial_y T = P j_x B_z, с соотношением Бриджмена P=NT/κP = N T/\kappa. Коэффициент NN выражается через тензор кинетических коэффициентов и связан с эффектами Зеебека и Холла, но не сводится к ним: он чувствителен к производной времени релаксации по энергии и поэтому информативнее в задачах диагностики поверхности Ферми. Особенно силён в висмуте, графене у точки Дирака, тяжёлых фермионах и магнитных топологических полуметаллах, где аномальный вклад от кривизны Берри открывает путь к термоэлектрикам с высоким ZTZT без p-n-перехода.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Эффект Зеебека и термопара

Эффект Зеебека и термопара

Эффект Зеебека: термоЭДС в цепи двух разных проводников с градиентом температуры. Коэффициент Зеебека S, формула V = S·ΔT, типы термопар (K, J, T, S) и измерение температуры по МЭК 60584.

25 февраля 20269 минут
Эффект Пельтье: термоэлектрическое охлаждение спая

Эффект Пельтье: термоэлектрическое охлаждение спая

Эффект Пельтье: при пропускании тока через спай двух разных проводников выделяется или поглощается тепло. Закон Пельтье, соотношение Кельвина, добротность ZT, термоэлектрические холодильники и RTG.

20 января 20269 минут
Адаптивная радиация: как предок даёт множество видов

Адаптивная радиация: как предок даёт множество видов

Адаптивная радиация: почему одна линия быстро расходится по экологическим нишам, примеры вьюрков и цихлид, условия процесса, таблица и отличия от простого расселения.

1 октября 20268 минут
Активные формы кислорода: виды, источники и защита

Активные формы кислорода: виды, источники и защита

Активные формы кислорода: супероксид, пероксид водорода, гидроксильный радикал и синглетный кислород. Источники АФК, реакция Фентона, ферменты защиты и редокс-сигналинг.

1 октября 20269 минут
Аминоацил-тРНК-синтетаза: как заряжается тРНК

Аминоацил-тРНК-синтетаза: как заряжается тРНК

Как аминоацил-тРНК-синтетаза выбирает аминокислоту и тРНК, зачем реакция идёт в два этапа, почему тратятся две макроэргические связи и как работает редактирование.

1 октября 20268 минут
Антивитамины: механизмы и примеры

Антивитамины: механизмы и примеры

Антивитамины: чем структурные аналоги отличаются от связывающих и разрушающих агентов. Разбираем сульфаниламиды, метотрексат, дикумарол, авидин и тиаминазу.

1 октября 20268 минут