5. Термоэлектрический эффект

В технике широко известен эффект возникновения термоЭДС в спаянных проводниках, контакты (места спаев) между которыми поддерживаются при различных температурах (эффект Зеебека). В том случае, когда через цепь двух разнородных материалов пропускается постоянный ток, один из спаев начинает нагреваться, а другой — охлаждаться. Это явление носит название термоэлектрического эффекта или эффекта Пельтье.

На рис. 5 показана схема термоэлемента. Два полупроводника n и m составляют контур, по которому проходит постоянный ток от источника питания С, при этом температура холодных спаев X становится ниже, а температура горячих спаев Г становится выше температуры окружающей среды, т. е. термоэлемент начинает выполнять функции холодильной машины. Температура спая снижается вследствие того, что под воздействием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента (m) в другую (n), переходят в новое состояние с более высокой энергией.

Р ис.5. Схема термоэлемента

Энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжений, в результате чего этот спай (X) охлаждается. При переходе с более высокого энергетического уровня (ветвь п) на низкий энергетический уровень (ветвь т) электроны отдают часть своей энергии атомам спая Г термоэлемента, который начинает нагреваться.

В нашей стране в конце 1940-х и начале 1950-х годов академиком А. Ф. Иоффе и его учениками были проведены очень важные исследования, связанные с разработкой теории термоэлектрического охлаждения. На базе этих исследований была впервые сконструирована и испытана серия охлаждающих устройств.

Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин значительно ниже эффективности других типов холодильных машин, однако простота, надежность и отсутствие шума делают использование термоэлектрического охлаждения весьма перспективным.

Эффективность применения термоэлектрического охлаждения Выбор материала для элементов

Экономичность термоэлемента, а также максимальное снижение температуры на спаях зависят от эффективности (добротности) полупроводникового вещества z, в которую входят удельная электропроводность σ, коэффициент термоЭДС α и удельная теплопроводность κ. Эти величины взаимосвязаны, так как зависят от концентрации свободных электронов или дырок. Такая зависимость представлена на рис. 6.

Из рисунка видно, что электропроводность σ пропорциональна числу носителей n, термоЭДС стремится к нулю с увеличением n и возрастает при уменьшении n. Теплопроводность к состоит из двух частей: теплопроводности кристаллической решетки κ_p, которая практически не зависит от n, и электронной теплопроводности κ_э, пропорциональной n.

Эффективность металлов и металлических сплавов мала из-за низкого коэффициента термоЭДС, а в диэлектриках — из-за очень малой электропроводимости. По сравнению с металлами и диэлектриками эффективность полупроводников значительно выше, чем и объясняется их широкое применение в настоящее время в термоэлементах. Эффективность материалов также зависит от температуры.

Термоэлемент состоит из двух ветвей: отрицательной (n-тип) и положительной (р-тип). Так как материал с электронной проницаемостью имеет термоЭДС с отрицательным знаком, а материал с дырочной проводимостью — с положительным, то можно получить Рис. 6. Качественные зависимости термоЭДС, электропроводности и теплопроводности от концентрации носителей

большее значение термоЭДС.

При увеличении термоЭДС растет z. Для термоэлементов в настоящее время применяют низкотемпературные термоэлектрические материалы, исходными веществами которых являются висмут, сурьма, селен и теллур. Максимальная эффективность z для этих материалов при комнатных температурах составляет: 2,6·10^-3 °С^-1 для n-типа, 2,6·10^-1 °С^-1 — для р-типа.

В настоящее время Bi₂Te₃ применяют редко, поскольку созданные на его основе твердые растворы Bi₂Te₃-Be₂Se₃ и Bi₂Te₃-Sb₂Te₃ имеют более высокие значения z. Эти материалы впервые были получены и исследованы в нашей стране, и на их основе освоен выпуск сплавов ТВЭХ-1 и ТВЭХ-2 для ветвей с электронной проводимостью и ТВДХ-1 и ТВДХ-2 — для ветвей с дырочной проводимостью [1]. Твердые растворы Bi-Se применяют в области температур ниже 250 К. Максимального значения z = 6·10^-3 °С^-1 достигает при Т≈80÷90 К. Интересно отметить, что эффективность этого сплава значительно повышается в магнитном поле.

Полупроводниковые ветви в настоящее время изготавливают тремя методами: методом порошковой металлургии, литьем с направленной кристаллизацией и вытягиванием из расплава. Метод порошковой металлургии с холодным или горячим прессованием образцов наиболее распространен.

В термоэлектрических охлаждающих устройствах применяют, как правило,

Рис. 7. Схема термоэлемента

термоэлементы, у которых отрицательная ветвь изготовлена методом горячего прессования, а положительная — методом холодного прессования.

Механическая прочность термоэлементов незначительна. Так, у образцов сплава Bi₂Te₃-Sb₂Te₃, изготовленных методом горячего или холодного прессования, предел прочности при сжатии составляет 44,6–49,8 МПа. Для повышения прочности термоэлемента между коммутационной пластиной 1 (рис. 7) и полупроводниковой ветвью 6 ставится демпфирующая свинцовая пластина 3; кроме того, применяют легкоплавкие припои 2, 4 и припой SiSb 5. Испытания показывают, что термоэлектрические устройства имеют виброударную стойкость до 20g, термоэлектрические охладители малой холодопроизводительности — до 250g.