Termoelectricitatea metalelor și a semiconductorilor
În 1821, Seebeck a descoperit un fenomen numit efectul termoelectric. Esența acestui fenomen este apariția unui curent electric într-un circuit închis format din conductori care nu au aceeași compoziție, cu condiția ca locurile de conectare a conductorilor să aibă o temperatură diferită. Luați în considerare următorul exemplu concret. Să facem un lanț de două bucăți de oțel și o bucată de sârmă de cupru.
Dacă capetele acestor fire sunt lipite așa cum se arată în Fig. 1, se obține un circuit deschis, a cărui parte mijlocie este formată dintr-un fir de cupru. Lăsați ca temperatura capetelor firelor de oțel și a primei joncțiuni să aibă aceeași valoare a temperaturii T1. Dacă acum joncțiunea este încălzită la o a doua temperatură T2, apoi capetele firelor de oțel se produce o diferență de potențiale U, care este proporțională cu diferența de temperatură T2 - T1 adică U = α (T2 - T1) ..
Dacă în loc de trei fire numai două lipire (cupru și oțel) și ca în cazul precedent, joncțiunea este încălzit la o temperatură T2, iar capetele firelor menținute la o temperatură T1 va apoi, de asemenea, diferența de potențial la capetele firelor. Odată cu închiderea acestui circuit pe milliammeter apariția ultimului marcaj curent, care va curge continuu prin menținerea diferenței de temperatură dintre prima și a doua intersecții.
În fenomenul considerat, există o tranziție directă a energiei termice la energia electrică. În ciuda acestui fapt, o caracteristică foarte importantă, thermoelectricity de mai mulți ani a rămas în ochii oamenilor fenomen destul de amuzant decât un factor important care poate fi folosit pentru a rezolva problemele majore de energie. „Printre cele mai importante descoperiri ale Oersted, Ampere și Faraday, - spune academicianul Ioffe - thermoelectricity a atras puțină atenție în viitor, să-l aplice la măsurarea temperaturii păleau în comparație cu electromagneți, mașini electrice și transformatoare așa că a rămas pe marginea fizicii .. “.
Situația sa schimbat dramatic numai după ce, începând cu anii 1930, fizicienii au început să studieze intensiv fenomenele termoelectrice în semiconductori.
Înainte de a trece la semiconductori, de ce ia în considerare diferența de temperatură dintre circuitul de prima și a doua joncțiuni format din cele trei fire metalice, creând diferența de potențial. Mai întâi considerăm un caz mai simplu. Dacă capetele firelor sunt dintr-un material uniform la temperaturi diferite T1 și T2, caz în care electronii se vor deplasa de la capătul fierbinte al firului la capătul său rece într-un număr mai mare decât în direcția inversă. Ca urmare, capătul fierbinte este încărcat pozitiv, iar capătul rece este negativ. Apariția sarcinilor pozitive și negative pe capetele opuse ale firului de plumb la un câmp electric direcționat de la fierbinte la capătul rece al conductorului. Deoarece electronii difuzează de la capătul fierbinte la rece într-un număr mai mare decât în direcția opusă, ceea ce duce la acumularea crescută a taxelor spațiale pozitive și negative, intensitatea câmpului electric, la rândul său, de asemenea, crește. În ciuda diferenței de temperatură menținută în mod continuu, creșterea eventualelor încărcări pe părțile fierbinți și reci ale conductorului se va opri în cele din urmă. Acest lucru se va întâmpla deoarece intensitatea câmpului electric va crește la o valoare care ulterior va compensa forțele de difuzie. Ca urmare, se stabilește o diferență constantă de potențial la capetele firului pentru o diferență de temperatură dată T2-T1.
Va fi oarecum mai dificil în cazul a două metale diferite.
Sa observat mai sus că diferența de potențial rezultată, sau așa-numita forță termoelectromotoare, este proporțională cu diferența de temperatură. Prin urmare, rezultă că coeficientul forței termoelectromotorii α este numeric egal cu valoarea diferenței de potențial care apare la o diferență de temperatură de un grad. În general, coeficientul forței termoelectromotorii α, la rândul său, depinde de temperatură, dar pentru unele perechi de metale, această dependență nu este puternic pronunțată. Pentru majoritatea metalelor, valorile numerice ale lui α sunt, în general, mici.
Tabelul 1 prezintă valorile lui α pentru unele metale și aliaje în raport cu platina.
valori numerice mai mici și pentru toate metalele, și au fost unul din motivele pentru care pentru 130 de ani de la descoperirea thermoelectricity nu a găsit aplicații de putere. Doar în termometrie efectul termoelectric a găsit o recunoaștere largă și bine meritată. Eficiența termocupluri de metal sunt de obicei calculate în sutimi, iar în cel mai bun caz, zecimi de procent. Acest lucru se datorează deșeurilor de cantități substanțiale de energie termică furnizată spayu încălzită și o valoare mică și, în metale concentrației electronilor liberi rămâne practic constantă pe o gamă largă de temperatură, iar energia lor cinetică este doar puțin dependentă de temperatură. Prin urmare, deși stabilirea capetelor condițiilor de diferență de temperatură de metal apar pentru difuzia electronilor, dar această difuzie este astfel încât diferența de potențial rezultată este destul de mic.
O imagine complet diferită este observată în semiconductori. Este atât de avantajos diferită de ceea ce are loc în metale, ceea ce face posibilă discutarea despre implementarea bateriilor termoelectro-care transformă direct energia termică în energie electrică cu o eficiență relativ ridicată. După cum se știe, în semiconductori, concentrația purtătorilor de energie electrică la temperatura camerei este mult mai mică decât în metale. Apoi, energia cinetică a purtătoarelor de curent în semiconductor crește cu creșterea temperaturii mai puternic decât în metale. Spre deosebire de metalele din semiconductori, concentrația purtătorilor de curent crește rapid cu temperatura. Dacă la un zero absolut al temperaturii din banda de conducție nu există un singur electron, atunci chiar și la temperatura camerei, concentrația purtătorilor de sarcină poate ajunge la o cifră de 10-20 per cm3.
Aceste diferențe importante semiconductori la metale date posibilitatea de a observa mai multe semiconductori, termoelectrică este de zece ori mai mare decât în metale. Apare următorul proces. Purtătorii de electricitate, electroni sau „găuri“ difuze dintr-o regiune fierbinte semiconductor, în care concentrația lor și energia lor cinetică au valori mari, într-o zonă cu o temperatură mai mică, în cazul în care concentrația acestuia și energia cinetică mai mică. Pe de altă parte, există o mișcare a purtătorilor de sarcină în direcția opusă - de la un capăt la rece la cald.
Dar, la începutul procesului, până când se stabilește un echilibru dinamic, numărul de purtători care trec de la fierbinte la capătul rece este mai mare decât în sens invers. Această mișcare a taxelor duce la apariția destul de rapidă a excesului de sarcină pozitivă la un capăt al semiconductorilor și excesul negativ la celălalt capăt. Concomitent cu creșterea numărului de taxe este crescut, iar diferența de potențial dintre punctele extreme ale semiconductorilor. Ca și în cazul de mai sus cu metal, creșterea câmpului electric va încetini difuzarea tarifelor de la sfârșitul cald la ho-lodnomu care conduc în cele din urmă la o stare de echilibru: taxa curge în ambele direcții devin egale, și a apărut cu diferența de potențial, și va energia termoelectrică. Acest proces este prezentat cu claritate și gaura special mecanismul de electroni „semiconductor conductivității. Capătul fierbinte al găurii semiconductorului este încărcată negativ, iar la rece - pozitiv, ceea ce corespunde unei difuziei găuri din zona fierbinte la rece. Materialul electronic opusul este adevărat: capătul fierbinte este încărcată pozitiv, iar frigul este negativ, ceea ce corespunde unei difuziei electronilor de la capătul cald la frig.
Spre deosebire de metale, coeficientul forței termoelectromotoare și în semiconductori este mult mai mare și poate atinge valori mai mari de 1000 μv pe grad.
Trimiteți-le prietenilor: