Efectul Seebeck se referă la fenomenele termoelectrice. Acest grup include și efectele lui Peltier și Thomson.
În 1823, T. Seebeck a stabilit că, într-un circuit format din materiale conductive neuniforme, apare un curent termoelectric, dacă contactele materialelor au temperaturi diferite. În cazul în care conexiunea este întreruptă în orice loc, diferența de potențial apare pe capetele de circuit deschis, numit forța thermoelectromotive (termoelectrică). Seebeck a demonstrat că diferența de potențial într-un circuit deschis dU depinde de diferența de temperatură și de tipul de material.
unde este coeficientul termoelectric Seebeck.
dU (# 945;) este de obicei considerată o valoare pozitivă dacă potențialul de contact fierbinte este mai mare decât potențialul rece.
Luați în considerare efectul asupra exemplului unui lanț format din două materiale diferite 1 și 2 (Figura 7.11).
Să luăm în considerare natura fizică a fiecărui mecanism.
Componenta volumetrica a puterii termoelectrice. Să ne imaginăm că la marginile unui conductor omogen 1 există o diferență de temperatură T2-T1. astfel încât de-a lungul conductorului de la B la A să existe un gradient de temperatură (a se vedea figura 7.11). Purtătorii de curent în regiunile mai încălzite au o viteză și o energie mai mari decât cele din regiunile mai puțin încălzite ale conductorului. Prin urmare, în conductorul de la capătul fierbinte până la frig, începe transferul de încărcare. Dacă purtătoarele de încărcătură sunt electroni, capătul rece este încărcat negativ ca rezultat al excesului lor, iar capătul fierbinte este încărcat pozitiv.
O estimare aproximativă a acestei componente a puterii termoelectrice poate fi rezumată după cum urmează.
Gazul electronic creează în conductor o presiune P proporțională cu concentrația de electroni n
unde # 274; Este energia electronică medie.
Prezența unui gradient de temperatură determină o scădere a acestei presiuni, pentru care un câmp cu o putere Eob.
Din starea de echilibru a acestor procese, se pot obține expresii pentru coeficientul termoEMF în vrac
Această componentă a termoEMF se numește termodifuzia.
De regulă, într-un dirijor electronic # 945; aproximativ este direcționată de la capătul fierbinte până la capătul rece, dar pentru o serie de metale și aliaje de tranziție există excepții [14].
Este posibilă scrierea expresiilor în formă diferențială pentru componenta de contact a puterii termoelectrice
Rezultă din (7.63) că
Rezumând puterea termoelectrică de contact și volum diferențial, obținem
În expresia metalelor și semiconductorilor (7.65) se obțin rezultate diferite.
ThermoEMF în metale. Înlocuirea energiei electronice medii # 274; și energia Fermi în expresia (7.65), obținem o formulă pentru puterea diferențială termoelectrică în metale
Un calcul mai riguros conduce la o formă oarecum diferită
unde r este exponentul funcției.
Din ultima expresie rezultă că coeficientul diferențial al puterii termoelectrice crește cu temperatura. Deoarece kT< ThermoEMF în semiconductori. Componenta sa de volum este mult mai mare decât în metale, deoarece există o puternică dependență a concentrației purtătorului de temperatura. Prin urmare, în plus față de procesele caracteristice metalelor, în semiconductori apare un curent de difuzie al purtătorilor din regiunea fierbinte în regiunea rece. La capetele unui semiconductor omogen, apare un termoEMF volumetric, care la rândul său formează un curent derivat. În condițiile echilibrului termodinamic, curenții de derivație și difuzie sunt egali, adică pentru un semiconductor cu electroni putem scrie expresie Soluția acestei ecuații conduce la următoarea expresie pentru componenta volumului difuziv al puterii termoelectrice. Să găsim componenta de termodifuzie în vrac a puterii termoelectrice în semiconductori. Presiunea unui gaz de electroni într-un semiconductor nondegenerat este Substituind (7.70) în (7.61), obținem Un rezultat mai precis dă expresia unde r este exponentul funcției. Expresia pentru nivelul Fermi într-un semiconductor cu electroni nedegenerați poate fi scrisă în formular Substituind (7.73) în (7.64), obținem o expresie pentru componenta de contact a puterii termoelectrice în semiconductori Rezumând difuzie (7.69), difuzie termică (7,72) și componenta volumetrică a thermopower de contact constituent (7.74), obținem expresia totală diferențială termoelectrică semiconductor electronic unde semnul minus este setat în conformitate cu polaritatea adoptată. Pentru un semiconductor cu gaura, o astfel de expresie are forma Estimarea thermopower diferențiale pentru germaniului electronic cu n = 10 23 m -3 la T = 300K dă ordinul de 10 -3 V / K, care este de trei ordine de mărime mai mare decât în metale. Strângerea electronilor prin fononi apare la temperaturi scăzute. Mecanismul efectului este următorul. În prezența mișcării de difuzie termică în gradientul de temperatură a conductorului apare fononi de la capătul cald la rece, cu o viteză medie Jf. Electronii care sunt împrăștiate prin fononi primi un impuls suplimentar se muta de la fierbinte la capătul rece al conductorului, creând o Uf termoelectric. Calculul diferențialului termoEMF cauzat de antrenarea electronilor de către fononi a demonstrat acest lucru unde # 964; E este timpul mediu de relaxare al fononilor și al electronilor. Aplicarea efectului Seebeck se bazează pe conversia energiei termice în energie electrică. O astfel de conversie se realizează în generatoare termoelectrice. care utilizează energia termică a radiației solare, decaderea radioactivă, reacțiile chimice. Avantajul generatoarelor termice este simplitatea funcționării, mobilitatea. Principalul lor dezavantaj este eficiența scăzută ( În plus, efectul Seebeck este utilizat în dispozitivele electronice termice funcționale. pentru generarea de impulsuri de curent (suporturi de informații) sub acțiunea impulsurilor termice.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: