Fémek és félvezetők hőenergiája
Fémek és félvezetők hőenergiája
1821-ben Seebeck felfedezte a termoelektromos hatásnak nevezett jelenséget. Ennek a jelenségnek az a lényege, hogy olyan vezetékekből álló zárt áramkörben lévő elektromos áram keletkezik, amelyek nem azonos összetételűek, feltéve, hogy a vezetők egymáshoz való csatlakozásának helye eltérő. Tekintsük a következő konkrét példát. Vegyünk egy láncot két darab acélból és egy rézhuzalból.
Ha ezeknek a vezetékeknek a végeit a 3. ábrán látható módon forraszthatja. Az 1. ábrán látható, nyitott áramkört kapunk, amelynek középső részét rézvezeték képezi. Hagyja, hogy az acélhuzalok végeinek hőmérséklete és az első csomópont azonos értékű legyen a T1 hőmérsékletnek. Ha most a második csomópontot T2 hőmérsékletre melegítjük, akkor az acélhuzalok végein lehetséges U különbség van, amelynek értéke arányos a T2 - T1 hőmérsékleti különbséggel, azaz U = α (T2 - T1)
Ha három helyett huzalok csak két forrasz (réz és acél), és mint az előző esetben, a csomópont melegítjük T2 hőmérsékletre, és a vezetékek végei hőmérsékleten tartjuk T1 majd szintén a potenciális különbség a végén a vezetékeket. Ha ez az áramkör egy milliaméterre van zárva, az utóbbi észreveszi egy olyan áram megjelenését, amely folyamatosan folyik, ha az első és a második csomópont közötti hőmérsékletkülönbség fennmarad.
A vizsgált jelenségben a hőenergia közvetlen átalakulása az elektromos energiához kapcsolódik. Ennek ellenére, egy nagyon fontos jellemzője, thermoelectricity évekig maradt a szemében az emberek mulatságos jelenség, mint fontos tényező, hogy lehet használni, hogy megoldja az energia nagy problémákat. „Az egyik legfontosabb felfedezések Oe, Ampere és Faraday - mondja akadémikus Ioffe - thermoelectricity vonzott kevés figyelmet a jövőben, hogy alkalmazza azt a hőmérséklet mérésére elsápadt képest elektromágnesek, villamos gépek és transzformátorok, így maradt a különbözetet a fizika .. ”.
A helyzet drámaian megváltozott csak az 1930-as évek elején kezdődően, a fizikusok intenzíven tanulmányozták a termoelektromos jelenségek félvezetőkben való megismerését.
Mielőtt folytatnánk a félvezetőket, fontoljuk meg, hogy a három fémhuzalból álló lánc első és második csomópontja közötti hőmérsékletkülönbség potenciális eltérést okozzon. Először egy egyszerűbb esetet tartunk számon. Ha a homogén anyagú huzalok végei T1 és T2 különböző hőmérsékleteken vannak, akkor ebben az esetben az elektronok a vezeték melegestől a hideg végéig nagyobb számban mozognak, mint az ellenkező irányba. Ennek eredményeképpen a forró vég pozitív töltésű, és a hideg vége negatív. A vezeték ellentétes végein lévő pozitív és negatív töltések megjelenése a vezeték forró végétől a hidegig terjedő elektromos mező megjelenését eredményezi. Mivel az elektronok a forró végtől a hidegig terjednek nagyobb számban, mint az ellenkező irányba, ami a pozitív és a negatív térköltségek felhalmozódásához vezet, az áramerősség térerő is növekszik. A folyamatosan változatlan hőmérsékletkülönbség ellenére a vezeték forró és hideg részeiben a töltések növekedése véget ér. Ez azért következik be, mert az elektromos tér intenzitása olyan értékre emelkedik, amely később kompenzálja a diffúziós erőket. Ennek eredményeképpen a T2-T1 adott hőmérséklet-különbségnél a huzal végein állandó potenciálkülönbség alakul ki.
Két eltérő fém esetén némileg nehezebb lesz.
Fentebb megjegyeztük, hogy a keletkező potenciális különbség, vagy az úgynevezett hőelektromotoros erő arányos a hőmérsékleti különbséggel. Ebből következik, hogy az α termoelektromos erõ együtthatója számszerûen megegyezik az egy fokú különbségen alapuló potenciális különbség értékével. Általánosságban elmondható, hogy az α termoelektromos erő együtthatója a hőmérséklet függvénye is, azonban egyes fémpárok esetében ez a függőség nem erősen kimutatható. A legtöbb fém esetében az α számértékek általában kicsiek.
Az 1. táblázat az egyes fémek és ötvözetek platina tekintetében az a értékét mutatja.
Az összes fém fémek számának kisebb értékei voltak az egyik oka, hogy a termoelektromos jelenség felfedezése óta 130 évig nem találta meg az energiafelhasználást. Csak a hőmérőben a termoelektromos hatás széles és megérdemelt felismerést talált. A fémes hőelemek hatékonyságát rendszerint században, és legjobb esetben tized százalékkal számolják. Ez annak köszönhető, hogy hulladék jelentős mennyiségű hőenergiát a fűtött spayu, és egy kis értékű, és a fémek szabad elektron koncentráció, gyakorlatilag állandó marad egy széles hőmérséklet-tartományban, és azok kinetikus energia csak kis mértékben függ a hőmérséklettől. Ezért, bár az elektronok diffúziójának feltételei a fém szélénél szélsőséges hőmérsékleten keletkeznek, ez a diffúzió olyan, hogy a kapott potenciális különbség nagyon kicsi.
A félvezetők teljesen más képet mutatnak. Ez annyira előnyösen különbözik a fémekhez képest, ami lehetővé teszi a termoelektromos elemek végrehajtását, amelyek a termikus energiát elektromos energiává alakítják át viszonylag nagy hatékonysággal. Mint ismeretes, a félvezetőkben a villamosenergia-hordozók koncentrációja szobahőmérsékleten sokkal kisebb, mint fémekben. Ezután a félvezetők jelenlegi hordozóinak kinetikus energiája nő a hőmérséklet növekedésével, mint a fémekben. A félvezetők fémjeivel szemben a folyékony hordozók koncentrációja gyorsan növekszik a hőmérsékleten. Ha a vezetési sáv hőmérsékletének abszolút nulla értékénél nincs egyetlen elektron, akkor szobahőmérsékleten is a töltőhordozók koncentrációja elérheti a 10-20 cm3 értéket.
A félvezetők és a fémek közötti jelentős különbségek lehetővé teszik a thermoelektromotoros erők megfigyelését számos félvezetőben, tízszer nagyobb, mint a fémekben. A következő folyamat megtörténik. Carriers villamos, elektronok vagy „lyukak” diffundálni egy forró régió a félvezető, ahol azok koncentrációja és azok kinetikus energia nagy értékeket egy területen egy alacsonyabb hőmérsékletű, ahol a koncentráció, és a kinetikus energia kevesebb. Másrészről a jelenlegi hordozók átadása és ellenkező irányú - a hidegtől a forróig.
De a folyamat kezdetén, a dinamikus egyensúly megteremtéséig a forró végtől a hideg végéig mozgó hordozók száma nagyobb, mint az ellenkező irányba. A töltések elmozdulása a félvezető egyik végén lévő pozitív töltések túlzott gyors előfordulását eredményezi, és a negatív töltés túlmegy a másik végén. A töltések számának növekedésével párhuzamosan nő a potenciálkülönbség a félvezető szélső pontjainál is. Mint a fenti esetben fém, elektromos tér növelésére lelassítja a diffúzió díjak a forró vége ho-lodnomu hogy végül egy egyensúlyi állapot: töltés áramlik mindkét irányban lesz egyenlő, és kiderült, a feszültségkülönbség, és akarat termoelektromos teljesítmény. Ebben a folyamatban a félvezető vezetőképességének lyuk és elektronikus mechanizmusa különösen egyértelművé válik. A forró végén a lyuk a félvezető negatív töltésű, és a hideg - pozitív, ami megfelel a diffúziós lyukak a forró szakaszból a hideg. A elektronikus anyag az ellenkezője igaz: a forró vége pozitívan töltött, és a hideg negatív, amely megfelel a diffúziós elektronok a forró végén a hideg.
A fémekkel ellentétben a hőelektromotoros erő és a félvezetők együtthatója sokkal nagyobb, és elérheti az 1000 μv-ot meghaladó értékeket.