Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011 - 2023 Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
русский / english
Термоэлектричество металлов и полупроводников
Термоэлектрические охлаждающие устройства
Термоэлектрические преобразователи - генераторы ЭДС
Термоэлектрические преобразователи
Главная >> Температура. Термоэлектричество >> Термоэлектричество металлов и полупроводников
• Представлена информация о различных преобразователях и датчиках физических величин, параметров различных физических процессов.
• Электрофизические свойства и эффекты в различных электротехнических материалах.
• Теория, экспериментальые результаты, практическое применение
Термоэлектричество металлов и полупроводников
В 1821 г. Зеебек открыл явление, получившее название термоэлектрического эффекта. Сущность этого явления заключается в возникновении электрического тока в замкнутой цепи, образованной из неодинаковых по составу проводников, при обязательном условии, что места соединения проводников друг с другом имеют различную температуру. Рассмотрим следующий конкретный пример. Составим цепь из двух кусков стальной и куска медной проволоки.
Рис.1
Если спаять концы этих проволок так, как показано на рис. 1, то получится разомкнутая цепь, средняя часть которой образована медной проволокой. Пусть температуры концов стальных проволок и первого спая будут иметь одно и то же значение температуры Т1. Если теперь второй спай нагревать до температуры Т2, то на концах стальных проволок возникнет разность потенциалов U, величина которой пропорциональна разности температур Т2 - Т1 т. е. U = α(T2 - T1)
Если вместо трех проволок спаять только две (стальную и медную) и, как в предыдущем случае, нагревать спай до температуры T2, а концы проволок поддерживать при температуре Т1 то на концах проволок тоже появится разность потенциалов. При замыкании такой цепи на миллиамперметр последний отметит появление тока, который будет течь непрерывно, если поддерживать разность температур между первым и вторым спаями.
В рассмотренном явлении имеет место непосредственный переход тепловой энергии в электрическую. Несмотря на эту, крайне важную особенность, термоэлектричество на протяжении многих лет оставалось в глазах людей скорее забавным явлением, чем важным фактором, который может быть использован для решения крупных энергетических проблем. "Среди больших открытий Эрстеда, Ампера и Фарадея, - пишет академик А. Ф. Иоффе, - термоэлектричество привлекло мало внимания. В дальнейшем применение его к измерению температур померкло по сравнению с электромагнитами, электрическими машинами и трансформаторами. Так оно и оставалось на задворках физики".
Положение резко изменилось лишь после того, как, начиная примерно с 30-х годов нашего столетия, физики стали усиленно изучать термоэлектрические явления в полупроводниках.
Прежде чем перейти к полупроводникам, рассмотрим, почему разность температур между первым и вторым спаями цепи, составленной из трех металлических проволок, создает разность потенциалов. Сначала рассмотрим более простой случай. Если концы проволок из однородного материала находятся при разных температурах Т1 и T2, то в этом случае электроны будут перемещаться от более горячего конца проволоки к ее холодному концу в большем числе, чем в обратном направлении. Вследствие этого горячий конец зарядится положительно, а холодный - отрицательно. Появление положительного и отрицательного зарядов на противоположных концах проволоки приведет к появлению электрического поля, направленного от горячего конца проводника к холодному. Так как электроны диффундируют от горячего конца к холодному в большем числе, чем в обратном направлении, что приводит к увеличению накопления положительного и отрицательного объемных зарядов, напряженность электрического поля в свою очередь также возрастает. Несмотря на непрерывно поддерживаемую разность температур, возрастание зарядов на горячем и холодном частях проволоки, в конце концов, прекратится. Это произойдет потому, что напряженность электрического поля возрастет до такого значения, которое в дальнейшем скомпенсирует силы диффузии. В результате на концах проволоки при данной разности температур Т2- Т1 установится постоянная разность потенциалов.
Несколько сложнее будет в случае двух разнородных металлов.
Выше было отмечено, что возникающая разность потенциалов, или так называемая термоэлектродвижущая сила, пропорциональна разности температур. Отсюда следует, что коэффициент термоэлектродвижущей силы α численно равен величине разности потенциалов, возникающей при разности температур в один градус. Вообще говоря, коэффициент термоэлектродвижущей силы α в свою очередь также зависит от температуры, однако для некоторых пар металлов эта зависимость не сильно выражена. Для большинства металлов численные значения α в общем малы.
В табл.1 приводятся значения α для некоторых металлов и сплавов по отношению к платине.
Таблица 1
Небольшие численные значения а для всех металлов и явились одной из причин того, что в течение 130 лет с момента открытия явления термоэлектричества оно не нашло энергетических применений. Лишь в термометрии термоэлектрический эффект нашел широкое и заслуженное признание. Коэффициент полезного действия металлических термопар обычно исчисляется сотыми, а в лучшем случае десятыми долями процента. Это объясняется бесполезной тратой значительного количества тепловой энергии, подводимой к нагреваемому спаю, и малым значением а, В металлах концентрация свободных электронов практически остается постоянной в широком температурном диапазоне, а их кинетическая энергия мало зависит от температуры. Поэтому хотя при создании на концах металла разности температур возникают условия для диффузии электронов, но эта диффузия такова, что образующаяся разность потенциалов весьма мала.
Совершенно иная картина наблюдается в полупроводниках. Она настолько выгодно отличается от того, что имеет место в металлах, что стало возможным говорить об осуществлении термоэлектробатарей, непосредственно превращающих тепловую энергию в электрическую со сравнительно большим коэффициентом полезного действия. Как известно, в полупроводниках концентрация носителей электричества при комнатной температуре значительно меньше, чем в металлах. Затем кинетическая энергия носителей тока в полупроводниках растет с повышением температуры сильнее, чем в металлах. В отличие от металлов в полупроводниках концентрация носителей тока быстро возрастает с температурой. Если при абсолютном нуле температуры в зоне проводимости нет ни единого электрона, то даже при комнатных температурах концентрация носителей зарядов может достигать цифры в 10^20 на 1 см3."
Эти важнейшие отличия полупроводников от металлов дают возможность наблюдать во многих полупроводниках термоэлектродвижущие силы, в десятки раз большие, чем в металлах. При этом происходит следующий процесс. Носители электричества, электроны или "дырки" диффундируют из более горячей области полупроводника, в которой как их концентрация, так и их кинетические энергии имеют большие значения в области с пониженной температурой, где их концентрации и кинетические энергии меньше. С другой стороны, происходит перемещение носителей тока и в обратном направлении - от холодного конца к горячему.
Но в самом начале процесса, до момента установления динамического равновесия, число носителей, перемещающихся от горячего конца к холодному, больше, чем в обратном направлении. Это перемещение зарядов приводит к довольно быстрому возникновению избытка положительных зарядов на одном конце полупроводника и избытка отрицательных на его другом конце. Одновременно с увеличением числа зарядов возрастает и разность потенциалов между крайними точками полупроводника. Как и в рассмотренном выше случае с металлом, возрастающее электрическое поле будет замедлять диффузию зарядов от горячего конца к хо-лодному, что, в конце концов, приведет к равновесному состоянию: потоки зарядов в обоих направлениях сравняются, а возникшая при этом разность потенциалов и будет термоэлектродвижущей силой. В этом процессе с особенной четкостью проявляется дырочный и электронный механизм 'Проводимости полупроводника. Горячий конец дырочного полупроводника заряжается отрицательно, а холодный - положительно, что соответствует диффузии дырок из горячей области в холодную. В электронном веществе наблюдается обратная картина: горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно, что соответствует диффузии электронов от горячего конца к холодному.
В отличие от металлов коэффициент термоэлектродвижущей силы, а у полупроводников значительно больше и может достигать значений, превышающих 1000 мкв на градус.
Смотрите также:
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДАТЧИКИ, СЕНСОРЫ
Информация, новости, реклама
