1.6.Термомагнітний ефект

Для одержання низьких температур є спроби технічного використання ефекту Нернста. Цей ефект аналогічний явищу Пельтьє і відрізняється від останнього тим, що напівпровідниковий термоелемент розміщується в магнітному полі.

Принцип дії охолодника, заснованого на цьому фізичному явищі, показано на рис.1.8. Монокристалічна речовина, що має призматичну форму, розташовується між полюсами N і S магніту. До торців монокристала підводиться постійна різниця потенціалів, у результаті чого в ньому виникає струм, напрямок якого перпендикулярний напрямку магнітного поля. При цьому в напівпровідниковому монокристалі виникає градієнт температур у напрямку, перпендикулярному як струмові, так і магнітному полю. При розташуванні полюсів магніту і струму, як це показано на рисунку, верхня грань монокристала буде нагріватися, а нижня охолоджуватися.

Фізичні причини ефекту лежать у дії сили Лоренца на електрони та дірки, що рухаються в магнітному полі в матеріалах з електронно-дірковою провідністю. Під дією сили Лоренца електричні заряди відхиляються від напряму свого руху нормально до ліній магнітного поля і відтікають від однієї грані до іншої. При цьому грань, від якої заряди відтікають забираючи енергію охолоджується, а до якої притікають нагрівається.

Рис.1.8. Принцип дії термомагнітного охолодника

Ефективність такого охолодження залежить від використовуваних матеріалів. Для напівпровідників та напівметалів вона вища від ефекту у металах.

Як відзначалося раніше, ефективність напівпровідників суттєво залежить від “добротності”. Однак для напівпровідників вона суттєво залежить від температури і для звичайних напівпровідників (навіть найкращих – теллуріди вісмуту і сурьми) знижується із зменшенням температури. Тому при температурах нижчих 200К використання термоелементів Пельтьє малоефективне. Інша картина спостерігається при використанні напівметалів – вісмуту, сурми та їх сплавів; для яких добротність росте із зниженням температури і досягає максимального значення при температурах 70…80К. Магнітне поле збільшує “добротність” у 2,5…2,6 рази, і досягає максимальних значень при температурах менших 100К. В той же час, із зниженням температури для досягнення максимальної “добротності” необхідно меншу величину магнітного поля.

Наприклад, добротність сплаву вісмуту та сурьми при кімнатній температурі К^-1, а при t=-185ºC – К^-1. Аналогічна картина спостерігається і для магнітного поля. Так, при t=20ºC максимальна добротність досягається при напруженні магнітного поля кГс, а при t=-196ºC – Гс.

Рекордне охолодження із застосуванням ефекту Нернста-Еттінгсгаузена досягнуто в Масачусетському університеті (США). Використовуючи монокристал чистого вісмуту пірамідальної форми, було отримано перепад температур на гранях кристала К.

У разі потреби охолодження в широкому діапазоні температур доцільно застосування багатокаскадних батарей поєднуючи термоелементи Пельтьє у верхніх каскадах з елементами Нернста-Еттінгсгаузена у нижніх.