2. Перетворення теплової енергії в електричну

Безпосереднє перетворення теплової енергії в електричну можна здійснити, використовуючи явища в контакті двох металів або напівпровідників, де діють сторонні сили, якими обумовлена дифузія заряджених частинок.

Величина контактної різниці потенціалів залежить не тільки від властивостей контактують матеріалів, але і від температури контакту, так як з температурою пов'язані енергія вільних електронів і їх концентрація.

а б Рис. 3.5

нести потенціалів, що визначаються формулою (2.12), в обох контактах однакові, але спрямовані в протилежні сторони по ланцюгу

а б Рис. 3.5

и_к1 = и

Якщо один з контактів, наприклад 1, нагріти, рівновагу порушиться - в контакті 1 з'явиться додатковий стрибок потенціалу, пов'язаний з нагріванням. У цьому випадку 11к1 > 11к2- В ланцюзі утворюється термоелектродвіжущая сила (Термоерс), абсолютне значення якої пропорційна різниці температур контактів:

де Е0 - величина, що залежить від властивостей металів, що утворюють контакт.

Однак концентрація вільних електронів в металах велика і при переході з одного металу в інший змінюється дуже мало. У зв'язку з цим контактна різниця потенціалів виявляється незначною і мало залежить від температури. З цієї причини металеві термоелементи мають дуже малі ЕРС і ККД і застосовуються для вимірювання температур (мал. 3.5, б).

На відміну від металів у напівпровідниках при збільшенні температури сильно збільшуються концентрації вільних електронів і дірок. Це властивість напівпровідників дозволяє отримати більш високі Термоерс і ККД термоелементів.

Напівпровідниковий термоелемент складається з двох полупровод-

ніков. Один має електронну, а інший - ди-

рочную провідність. При нагріванні напівпровідників у місці

з'єднання їх металевою пластинкою сильно збільшується

концентрація вільних носіїв заряду. Тому в полупровод-

ніках виникає дифузія їх від гарячого кінця до холодного. У

лупроводнике з електронною провідністю до холодного кінця

рухаються електрони, в результаті чого цей кінець заряджається

негативно. В іншому напівпровіднику холодного кінця пере-

мещаются дірки, утворюючи позитивний заряд. Виникла різниця потен-

циалов протидіє дифузії, іпрі деякої величиною її встановлюється рівновага сил електричного поля і сторонніх сил, під дією йде процес дифузії носіїв заряду. Ця різниця,потенціалів і є Термоерс напівпровідникового термоелемента.

Якщо до холодним кінцях напівпровідників підключити токо-проводить елемент, наприклад резистор, то утворюються замкнута ланцюг і електричний струм у ній.

В 1964 р. в нашій країні був створений перший в світі термоелектричний генератор для прямого перетворення теплової енергії ядерного реактора в електричну (установка "Ромашка" потужністю 500 Вт). В даний час ведуться роботи з метою збільшення потужності і ККД термоэлектрогенераторов.

3. Перетворення променистої енергії в електричну

Концентрація і енергія вільних носіїв заряду в напівпровідниках можуть збільшуватися не тільки при нагріванні, але і під дією променистої енергії (світло, інфрачервоне випромінювання).

Провідність напівпровідників, обумовлена дією на них променистої енергії, називається фотопроводимостью (внутрішнім фотоефектом). Явище фотопровідності лежить в основі дії групи електронних приладів, званих фотосопротивлениями.

Дія твердого фотоелемента з замикаючим шаром (вентильного фотоелемента) в фотогенераторном режимі пояснює рис. 3.7. У вентильному фотоэлементе здійснюється контакт двох напівпровідників, один з яких має електронної провідністю, а інший - доречний. Завдяки розсіювання електронів і дірок через перехід у взаємно протилежних напрямках утворюється контактна різниця потенціалів 11к. Якщо напівпровідники висвітлюються, в них за рахунок поглинання світлової енергії звер-вуються неосновні вільні носії заряду - електрони в р на лупроводнике та дірки в п-напівпровіднику. Ці електрони та дірки під дією електричного поля, у свою чергу, направляються через п-р-перехід: дірки в дірковий напівпровідник, а електрони - в електронний. Освітлення контакту призводить до порушення рівноваги основних носіїв заряду, в результаті якого потенційний бар'єр в контакті зменшується і встановлюється новий стан рівноваги при меншій величиною його, рав-ной ікс.

Різниця потенційних бар'єрів в контакті напівпровідників в темному і освітленому станах називається фотоэлектродвижущей силою:

Е_с=и_к -и_кс.

Фото ЕРС тим більше, чим інтенсивніше

Рис. 3.7 висвітлюється напівпровідник. Після з’єднання-

ня напівпровідників виникає струм у ланцюзі і відбувається перетворення променистої енергії в електричну. Фотоелектричні генератори призначені для прямого перетворення сонячної енергії в електричну і в даний час застосовуються в космічній техніці.

4. Перетворення електричної енергії в хімічну

Акумулятор при зарядці або електролітична ванна є приймачами електричної енергії.ЕРС акумулятора Ег при зарядці зберігає той же напрям, що і при розрядці; струм ж в акумуляторі змінює свій напрямок на зворотне, так як він визначається не напрямком ЕРС акумулятора, а ЕРС Е зовнішнього джерела живлення .ЭДС акумулятора Ег при зарядці спрямована проти струму і тому називається противоЭДС.

Переміщення заряджених частинок при зарядці акумулятора здійснюється в результаті дії електричного поля, які яке створюється джерелом живлення. Сили електричного ПОЛЯ в будь-який момент часу урав-новешиваются хімічними (сторонніми) силами, тому робота сил електричного поля, що доводиться на одиницю заряду може бути прирівняна противоЭДС .

Формули, які виражають енергію і потужність при розрядці і зарядці акумулятора, однакові. Проте не треба забувати про фізичному розходженні процесів: у першому випадку акумулятор є джерелом, а в другому - приймачем електричної енергії.

При перетворенні електричної енергії в теплову опір обумовлено соударениями частинок. При перетворенні електричної енергії в хімічну протидія струму надають сторонні сили.

Цим пояснюється відмінність виразів, якими кількісно визначається швидкість перетворення електричної енергії в інший вид енергії.