25.Термоелектричні явища в напівпровідниках.

Якщо температура контактів різних металів не однакова, то в ланцюзі виникає електричний струм, називаний термоелектричним. Явище виникнення термоелектричного струму (явище Зеєбека), а так само явище Пельтьє й Томсона, називається термоелектричними явищами.

• Явище Зеєбека (німецький фізик) 1821г. - виникнення термоелектричного струму (або термоЕ.Р.С.) у замкненому ланцюзі послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими мають різну температуру.

    У замкненому ланцюзі термо Е.Р.С. (різниці температур.

  _  _

Пояснення виникнення термо Е.Р.С.:

E_F залежить від температури, , якщо температура кристалів різна, то різними будуть і внутрішні контактні різниці потенціалів. Таким чином, сума стрибків потенціалів відмінна від нуля й, виникає в ланцюзі термо Е.Р.С. Дифузія електронів при градієнті температури в ланцюзі також приводить до появи термо Е.Р.С.

            Явище Зеєбека використовується для виміру температур - термопари - являють собою два різнорідні метали, контакти яких перебувають при різних температурах.

• Явище Пельтьє (французький ~фізик) 1834 р.: (зворотне до явища Зеєбека), при проходженні струму через контакт двох різнорідних металів залежно від його напруги крім джоулева тепла (нагрівання провідників) виділяється (при одному напрямку струму) або поглинається ( при іншому напрямку струму) додаткова теплота.  

Q_ДжI², Q_{Пельтьє}I; Q_{Пельтьє} 0 при I і Q_л 0 при I.

Пояснення явища Пельтьє:

Електрони по різну сторону спаю мають різну середню енергію. Якщо електрони, що рухаються за годинниковою стрілкою, пройдуть спай В и потраплять в область із меншою енергією, то надлишок своєї енергії вони віддадуть кристалічній решітці й спай В буде нагріватися. У спаї А електрони переходять в область із більшою енергією, забирають частина енергії в кристалічної решітки для вирівнювання своєї температури з температурою кристалічної решітки. У такий спосіб спай А буде охолоджуватися.

            Явище Пельтьє використовується в термоелектричних напівпровідникових холодильниках.

• Явище Томсона (1856)

            При проходженні струму по нерівномірно нагрітому провідникові повинне відбуватися додаткове виділення (або поглинання) теплоти аналогічній теплоті Пельтьє.

Пояснення явища Томсона:

Тому що в нагрітій частині провідника електрони мають більшу середню енергію, ніж в менш нагрітої, то рухаючись у напрямку убування температури, вони віддають частину своєї енергії решітці, у результаті чого відбувається виділення теплоти Томсона. При русі електронів у зворотному напрямку відбувається поглинання енергії (теплоти) Томсона.

26.Термоелектричні генератори.

Термоелектричний генератор (ТЕГ), термоелектрогенератор, пристрій для прямого перетворення теплової енергії в електричну, принцип дії якого заснований на ефекті Зєєбека (див. Термоелектричні явища ) . В склад ТЕГ входять: термобатареї, набрані з напівпровідникових термоелементів сполучених послідовно або паралельно; теплообмінники гарячих і холодних спаїв термобатарей. ТЕГ підрозділяються: по інтервалу робочих температур — на нізко-, середньо і високотемпературні (діапазони температур 20—300, 300—600, 600—1000 °С; матеріали термоелементів — відповідно тверді розчини на основі халькогенідов елементів V групи, IV групи періодичної системи Д. І. Менделєєва і тверді розчини Si—ge); по сфері застосування — на космічних, морських наземні і т. д.; за типом джерела тепла — на ізотопних, сонячні (див.Сонячний термоелектрогенератор ) , газові і т. д. Ккд кращих ТЕГ складає ~ 15%, потужність досягає декількох сотеньквт.

ТЕГ володіють рядом переваг перед традиційними електромашинними перетворювачами енергії, наприклад турбогенераторами, відсутністю рухомих частин, високою надійністю, простотою обслуговування. ТЕГ застосовуються для енергопостачання видалених і важкодоступних споживачів електроенергії (автоматичних маяків, навігаційних буїв, метеорологічних станцій, активних ретрансляторів, космічних апаратів, станцій антикорозійного захисту газо- і нафтопроводів і т. п.). До недоліків сучасних ТЕГ відносяться низький ккд(коефіцієнт корисної дії) і відносно висока вартість.

Переваги ТЭГ: великий термін їхньої служби, висока надійність, стабільність параметрів, вибростойкость. Недоліки ТЭГ: невисокі відносні енергетичні показники: питома маса 10-15 кг/кВт, поверхнева щільність потужності 10 кВт/м?? (на одиницю поперечного перерізу елемента ), об'ємна щільність потужності 200-400 кВт/м3 та порівняно низький ККД перетворення (5-8%).

У основі дії будь-якого ТЭЭ лежать оборотні термоелектричні ефекти Пельтье, Томсона (Кельвіна) і Зебека. Визначальна роль ТЭГ належить ефекту термо-ЭДС (Зебека). Перетворення енергії супроводжується необоротними (диссипативными) ефектами: передачею тепла з допомогою теплопровідності матеріалу ТЭЭ і протікання струму. Матеріали ТЭЭ з приместной електронної і дырочной провідністю отримують запровадженням легуючих добавок в кристали основного напівпровідника.