1 Ефекти Зеебека і Пельт'є і їх використання на практиці Термоелектричне охолодження і нагрівання, основане на використанні елементів Пельт’є – це термоелектричний перетворювач, принцип дії якого базується на тому, що при проходженні електричного струму через ланцюг, що складений з різних провідників, в місцях контактів (спаїв) виділяється або поглинається деяка кількість тепла. Величина виділенного тепла QP і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу його проходження: dQP = П12∙I∙dt Найбільш ефективною термоелектричною наносполукою може бути поєднання заліза і константану.

Ефект Зеєбека полягає в тому, що в електричному колі, яке складається з послідовно з'єднаних різнорідних напівпровідників або напівпровідника й металу, виникає е.р.с., якщо між кінцями цих матеріалів існує різниця температур. Величину цієї е.р.с. можна визначити за формулою де - коефіцієнт термо-е.р.с., що визначається матеріалами ділянок ланцюга; Т₁ і Т₂ – відповідно температури першого й другого спаїв.

Ефект Пельт’є полягає в тому, що при проходженні струму через контакт двох різнорідних напівпровідників або напівпровідника й металу відбувається поглинання або виділення теплоти залежно від напрямку струму. Кількість поглиненої теплоти, або тієї, яка виділяється в контакті, пропорційна значенню струму I, що протікає:

, де Q_п – теплота Пельт’є; t – час проходження струму; П – коефіцієнт Пельт’є, що залежить від природи матеріалів які контактують, температури й напрямку струму.

2 Термоелемент як елемент функціональної електроніки

Одним із напрямів підвищення ефективності термоелектричних пристроїв є вдосконалення системи теплообміну. Дана можливість реалізована в термоелементах із розвиненою поверхнею теплообміну [2]. У таких термоелементах тепло підводиться чи відводиться не лише через поверхні гарячих і холодних спаїв, а й через розвинену внутрішню поверхню гілок термоелементів, проникних для потоків газів чи рідин

3Коефіцієнт корисної дії термоелемента

Використання проникних термоелементів для генерування електричної енергії може призвести до істотного підвищення ККД термоелектричних генераторів Низка праць присвячена дослідженню проникного термоелемента в режимі термоелектричного охолодження [9-11]. У них теоретично показано, що використання таких термоелементів може привести до суттєвого зростання холодильного коефіцієнта порівняно з класичними монолітними термоелементами.

4. Терморезистори з від'ємним ТКК.

При измерении материала определенной влажности с температурой Ть превышающей температуру градуировки Т,р, в силу положительного температурного коэффициента емкости (ТКЕ) измеряемого материала резонансная частота контура измерительного генератора уменьшается по сравнению с резонансной частотой контура для материала той же влажности, но с температурой, равной температуре градуировки. Так как терморезистор 3 имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКК), то сопротивление терморезистора при температуре материала

 

Т )Т„р уменьшается по сравнению с сопротивлением термистора при температуре градуировки Т,р. Уменьшение сопротивления термистора вызывает увеличение резонансной частоты контура измерительного генератора.

 При понижении температуры исследуемого материала наблюдается повышение частоты измерительного генератора от ТКЕ материала и встречный процесс (понижение частоты) от изменения сопротивления терморезистора.

 Таким ооразом, можно утверждать, что при определенном соответствии ТКЕ исследуемого материала и ТКК терморезистора может быть

 обеспечена взаимная компенсация расстройки колебательного контура по частоте от изменения температуры исследуемого материала и от изменения сопротивления терморезистора, находящегося в контакте с измеряемым мате15 риалом.

5. Позистори

Термистор и позистор это полупроводниковые резисторы, отличающиеся друг от друга температурным коэффициентом. Термистор – терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, позистор - терморезистор с положительным коэффициентом сопротивления. Позистор имеет форму керамических дисков, в некоторых случаях установленных последовательно в одном корпусе, а так же в одиночном исполнении с защитным эмалевом покрытием. По областям применения позисторы делятся на группы. Позисторы, работающие в условиях воздействия электрической нагрузки и используемые в качестве предохранителей в схемах защиты от перегрузок по току и напряжению. Например, простая схема защиты первичной обмотки трансформатора. Еще одно применение позисторов в качестве переключателей в схемах пусковых устройств. Позисторы широко применяются в качестве автостабилизирующих нагревательных элементов в схемах размагничивания и задержки. Здесь позисторы размагничивают теневую маску кинескопа посредством уменьшения переменного тока, проходящего через размагничивающуюся катушку в течение короткого времени. Благодаря высокой температурной чувствительности и положительному температурному коэффициенту, позисторы могут одновременно выполнять функции нагревательного элемента и термодатчика. Некоторые виды позисторов нашли применение в светотехнике в схемах пусковых устройств люминесцентных ламп. Пример одной из них. Начиная с некоторой температуры, сопротивление позистора резко возрастает, а вместе с ним растет напряжение на лампе, и при достижении напряжения зажигания лампа светится полным накалом.

.

6. Запам'ятовуючі пристрої на аморфних напівпровідниках

Твердотільні лазери.  Твердотільні лазери в якості активного середовища містять кристалічний або аморфний діелектрик, що має центри люмінесценції. Для малогабаритних оптоелектронних пристроїв, сумісних з мікроелектронних пристроями, основним видом твердотільного лазера є лазер на иттриево-алюмінієвому гранаті (Y ₃ Al ₅ O_12), у кристалічній решітці якого частина атомів ітрію заміщена іонами неодиму (Nd ^{+ + +).} Ці кристали володіють високою міцністю і теплопровідністю, однорідністю оптико-фізичних параметрів. Для створення когерентного випромінювання використовується-оптична накачування.  Конструктивно твердотільний лазер містить стрижень активної речовини з отполіраваннимі дзеркальними торцями (оптичний резонатор) освітлюваний лампою-спалахом або лампою безперервного горіння, і светособірающей систему, яка забезпечує рівномірну освітленість поверхні стрижня і мінімальний його нагрів (рис.2.15).  Завдяки високій концентрації активних центрів енергія когерентного випромінювання твердотільних лазерів виявляється в десятки разів більше, ніж у інших типів лазерів. Оптична накачування дає більш високе значення ККД, ніж газовий розряд. Високі експлуатаційні характеристики твердотільних лазерів: температурна і радіаційна стійкість, механічна міцність.  Рис.2.15 Конструкція твердотільного лазера з ІК накачуванням  1-стержень активної речовини; 2-ІК-діод; 3-оптична середу; 4-тепловідвід; 5-фіксуюча оправлення. 

7. Варистор Варисторы - это полупроводниковые резисторы, в которых используется эффект уменьшения сопротивления полупроводникового материала при увеличении приложенного напряжения, за счет чего они являются наиболее эффективным (и дешевым) средством защиты от импульсных напряжений любого вида. Отличительной особенностью варистора является симметричная, резко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика. За счет этого варисторы позволяют просто и эффективно решать задачи защиты различных устройств от импульсных напряжений. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию и при нормальной эксплуатации находится под действием рабочего напряжения защищаемого устройства. В рабочем режиме ток через варистор пренебрежимо мал, и он в этих условиях представляет собой изолятор. При возникновении импульса напряжения варистор благодаря нелинейности вольт-амперной характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее, и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. После гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление. Одной из характеристик варистора является классификационное напряжение- это напряжение при определенном токе. Как правило, изготовители варисторов в качестве классификационного напряжения указывают напряжение на варисторе при токе 1мА. Также важной характеристикой варистора является допускаемая мощность рассеивания - она характеризует возможность рассеивать поглощаемую электрическую энергию в виде тепла. Этот показатель в основном определяется геометрическими размерами варистора и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто применяют массивные выводы, которые играют роль своеобразного радиатора. Наиболее массовое производство отечественных малогабаритных варисторов организовано на Ухтинском заводе "Прогресс" Варисторы выполнены в виде дисков толщиной до 10 мм (в зависимости от классификационного напряжения). Варианты исполнения - с проволочными и штуцерными выводами. Для этих варисторов классификационный ток составляет 1 мА, температурный коэффициент напряжения отрицательный не более 0,05% на один градус Цельсия.

8Об'ємний п'єзоефект і його застосування

Принцип дії п’єзоелектричних перетворювачів заснований на використанні прямого або зворотного п’єзоелектричних ефектів. Прямий п’єзоефект являє собою здатність деяких матеріалів утворювати електричні заряди на поверхні при прикладенні механічної напруги, зворотний – в зміні механічної напруги або геометричних розмірів зразка матеріалу під впливом електричного поля.

В якості п’єзоелектричних матеріалів використовують зазвичай природний матеріал – кварц, турмалін, а також штучно поляризовану кераміку на основі титанату барію (BaTiO₃), титанату свинцю (PbTiO₃) і цірконату свинцю (PbZrO₃). Можна використовувати і інші матеріали.

Кількісно п’єзоефект оцінюється п’єзомодулем К_d, що встановлює залежність між виникаючим зарядом Q і прикладеною силою F,

Q=K_dF. (2.6.1)

Із п’єзоматеріалів найбільш розповсюджений кварц, що пояснюється його задовільними п’єзовластивостями, дуже високим опором, стійкістю до впливу температури і вологи, високою механічною міцністю. Кварц має незначний коефіцієнт лінійного розширення, його п’єзомодуль, що дорівнює 2,3×10^-12 Кл/Н, практично не залежить від температури до 200⁰ С, в діапазоні від 200–500⁰ С змінюється незначно, при 573⁰ С стає рівним 0; питомий електричний опір – порядку 10¹⁶ Ом/м, модуль пружності Е=7,7×10¹⁰ Па.

П’єзокераміка являє собою продукт відпалу спресованої суміші, яка містить мілко роздроблені сегнетоелектричні кристали. Характерною відмінністю сегнетоелектриків є їх доменна структура з хаотично зорієнтованими полярними напрямками доменів. П’єзоелектричних властивостей сегнетоелектрична п’єзокераміка набуває після поляризації в електричному полі.

Механічна міцність п’єзокераміки дуже висока, але залежить від технології і якості обробки площин, що торкаються. П’єзомодуль, діелектрична проникність та їх стабільність залежать від вибору напрямку поляризації, напрямку дії сили F і зняття заряду Q.

П’єзокераміка на основі ніобату свинцю (НБС) і цирконату-титанату свинцю (ЦТС) більш стабільна, ніж на основі титанату барію, однак поступається їм в чутливості. Так, п’єзокераміка на основі титанату барію має точку Кюрі 120⁰С при п’єзомодулі порядку 100×10¹² Кл/Н, а п’єзокераміка ЦТС-19 точку Кюрі 290⁰ С і в два рази більш високе значення п’єзомодуля.

Всі природні п’єзоматеріали мають кристалічну структуру, яка визначає властивості п’єзоперетворювачів. Так, кварц має кристалічну структуру, в якій можна виділити шестигранну призму. По відношенні до неї в кристалі виділяють три типи осей: повздовжну, або оптичну вісь Z, що проходить через центр призми; електричні осі Х і Z, що проходять через ребра призми кристалу нормально до оптичної осі (три) і механічні, або, нейтральні, осі Y, нормальні до граней кристалу (їх також три). П’єзочутливий елемент зазвичай вирізають з кристалу кварцу у вигляді пластини (паралелепіпеда), сторони якої паралельні осям кристалу (рис. 2.6.1, а).