- •Кафедра термоелектрики Визначення параметрів гіротропних термоелементів
- •Анотація
- •1. Найпростіша модель термоелемента Нернста-Еттінгсгаузена
- •2. Рулоний термоелемент Нернста-Еттінгсгаузена
- •3. Спіральний термоелементів Нернста-Еттінгсгаузена
- •4. Термоелемент Нернста-Еттінгсгаузена оптимальної форми
- •5.Рулонний гальваномагнітний охолоджуючий термоелемент із радіальним тепловим потоком.
- •6.Спіральний гальваномагнітний охолоджуючий термоелемент із живленням змінним струмом
- •7.Циліндричний гальваномагнітний охолоджуючий термоелемент з живленням змінним струмом
- •Досліджуючи величину ат/т0 на екстремум по параметру встановлюємо наявність максимуму цієї функції :
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА
Фізичний факультет
Кафедра термоелектрики Визначення параметрів гіротропних термоелементів
(курсова робота)
Студентки 413 групи Савчук О.В.
Завідувач кафедри:
академік НАНУ, доктор
фіз.-мат. наук, професор Анатичук Л.І.
Науковий керівник:
кандидат фіз.-мат. наук,
асистент Константинович І.А.
Чернівці – 2014
Анотація
Проведено огляд літератури, розглянуті моделі термоелементів Нернста-Еттінгсгаузена, перспективні матеріали для виготовлення термоелементів Нернста-Еттінгсгаузена та прилади на основі поперечного ефекта Нернста-Еттінгсгаузена.
Курсова робота містить сторінок друкованого тексту, рисунків, 1 таблицю та літературних джерел.
ЗМІСТ
Вступ ……………………………………………………………………………3
Розділ.1.Гальванотермомагнітні явища в гіротропному середовищі 4
Розділ 2. Термоелементи Нернста-Еттінгсгаузена 14
Розділ 3.Генератор Нернста-Еттінгсгаузена. 20
Розділ 4.Холодильник Еттінгсгаузена 28
Розділ 5. Матеріали для термоелементів Нернста-Еттінгсгаузена 38
ВСТУП
Термоелектричні прилади і системи, розроблені на їх основі широко застосовуються в енергетиці, холодильній та вимірювальній техніці. Основною властивістю термоелектричних приладів є здатність використовувати взаємні перетворення теплової та електричної енергій, тому можливості практичного використання термоелектрики залежать від прогресу у фізиці термоелектричного перетворення енергії. Досягнення термоелектрики в області приладобудування, в основному, здобуто на базі фізики термопарних термоелементів. Узагальнена теорія термоелектрики дозволила розробити методи відкриття нових типів термоелементів, а їх застосування до анізотропних середовищ дозволило винайти, дослідити і створити ряд принципово нових типів термоелементів з унікальними властивостями, якими істотно розширено можливості термоелектрики.
Перспективним напрямком розвитку прикладного застосування термоелектрики є винайдення нових типів термоелементів на основі гіротропних середовищ. Ці можливості термоелектрики практично ще не досліджувались і їх реалізація дозволить розширити елементну базу термоелектрики, підвищити конкурентну спроможність термоелектричних перетворювачів енергії, створювати на їх основі термоелектричну продукцію підвищеної якості.
Актуальним є можливість використання приладу на основі ефекта Нернста-Еттінгсгаузена у навчальному процесі.
Метою є розробка конструкції та розрахунок параметрів приладу на основі ефекта Нернста-Еттінгсгаузена у навчальному процесі.
Об’єктом дослідження є перетворення теплової енергії в електричну у термоелементі Нернста-Еттінгсгаузена.
Предметом дослідження є оцінка параметрів термоелектричних матеріалів та термоелементів Нернста-Еттінгсгаузена й подальше використання термоелементів Нернста-Еттінгсгаузена на практиці.
Гальванотермомагнітні явища в гіротропному середовищі
Ефект Нернста-Еттінгсгаузена
Ефект Нернста-Еттінгсгаузена, або поперечний ефект Нернста-Еттінгсгаузена це термомагнітний ефект, що спостерігається при переміщенні у магнітне поле напівпровідника, у якому є градієнт температури.
Суть ефекту полягає в тому, що в напівпровіднику з'являється електричне поле Е, перпендикулярне до вектора градієнта температур вектору магнітної індукціїВ, тобто в напрямку вектора . Якщо градієнт температури спрямований уздовж осі X, а магнітна індукція -уздовж Z, то електричне поле паралельне уздовж осі Y.
Ефект Еттінгсгаузена - ефект виникнення градієнту температурумагнітномуполіY, через який тече струм. Якщо струм тече уздовж осі X, а магнітне поле спрямоване уздовж Y, то градієнт температур буде виникати уздовж Z.
Ефект Хола
Ефект Хола-явище, при якому виникає поперечна різниця потенціалів під час розміщення провідника з постійним струмом у магнітному полі. Відкритий Едвіном Холом у 1879 році в тонких пластинах золота.У найпростішому розгляді ефект Холла виглядає наступним чином. Нехай через металевий брусок у слабкому магнітному полі протікає електричний струм під дією напруженості.Магнітне поле буде відхиляти носії заряду (для визначеності електрони) від їхнього руху вздовж або проти електричного поля до однієї з граней бруса.
Таким чином, сила Лоренца призведе до накопичення від'ємного заряду біля однієї грані бруса та додатного – біля протилежної грані. Накопичення заряду продовжуватиметься доти, поки електричне поле зарядів , яке виникло під дією магнітного поля, не врівноважить магнітну складову сили Лоренца:
Швидкість електронів можна виразити через густину струму:
де концентрація носіїв заряду. Тоді
Коефіцієнт пропорційності міжтаназиваєтьсякоефіцієнтом Холла. У такому наближенні знак коефіцієнта Хола залежить від знака носіїв заряду, що дозволяє визначати їхній тип для великого числа металів. Для деяких металів (наприклад, таких як свинець, цинк, залізо, кобальт, вольфрам), у сильних полях спостерігається додатний знак , що пояснюється в напівкласичній і квантовій теоріях твердого тіла.
Ефект Еттінгсгаузена це -ефект виникнення градієнта температур в провіднику, що знаходиться в магнітному полі, через який тече струм. Якщо струм тече уздовж осі x, а магнітне поле спрямоване уздовж y, то градієнт температур виникатиме уздовж z.
Коротке пояснення ефекту полягає в наступному. В середньому дію сили Лоренца і поля Хола компенсують один одного, проте, внаслідок розкиду швидкостей носіїв заряду, відхилення «більш гарячих» і «холодніших» відбувається по-різномувони відхиляються до протилежних граней провідника.
Електрони, стикаючись з гратками, приходять з нею в термодинамічну рівновагу. Якщо вони при цьому віддають енергію, то провідник нагрівається; якщо вони відбирають енергію у гратки, то провідник охолоджується, внаслідок чого виникає градієнт температури в напрямі, перпендикулярному полю B і струму j.
Вважатимемо, що задані умови
,
тоді поперечними гальваномагнітними ефектами називаються ефекти, що виникають у напрямі осі Y, тобто у напрямі, перпендикулярному до електричного струму і магнітного поля.
Розрізняють ізотермічні і адіабатичні процеси. Для ізотермічного процесу виконується умова
,
для адіабатичного.
Використовуючи рівняння (32.4-32.7), розглянемо наступні поперечні гальваномагнітні ефекти.
Ізотермічний ефект Хола.
Умови протікання процесу:
,.
Знаходимо з (32.5)
,
де - позначення холівського поля
Згідно термінології, називається холівским опором. Оскільки антисиметричний тензор опору - непарна функція , то в розкладанні по Н у разі малих полів мають бути присутніми тільки непарні міри Н. Обмежуючись першим членом розкладання, можна записати
.
Часто вводиться позначення:
, (33.1)
де R - постійна Хола.
Холівске поле тоді рівне
, (32.2)
Звідки: . (33.3)
У експерименті зазвичай вимірюється опір, в той час, як в теоретичних розрахунках мають справу зазвичай з провідністю. Доводиться тому встановлювати зв'язок і для порівняння експерименту з теорією. Нагадаємо, як знаходиться зворотний тензор. Знайдемо, наприклад,, якщо має в гіротропному середовищі вигляд:
. (33.4)
З курсу алгебри відомо, що елемент зворотного тензора задається формулою:
, (33.5)
де -доповнення алгебри елементу
З (33.4) знаходимо:
,
.
Звідки:
(33.6)
чи через постійну Хола:
При малих магнітних полях зазвичай, тому:
. (33.7)
Компонента тензора провідності (33.7) називається холівською провідністю. Аналогічно знаходяться інші компоненти тензора .
Декілька слів про механізм виникнення ефекту Холу. Дірки в магнітному полі (для зручності говоритимемо про позитивний заряд) відхиляються, як показано на мал. 41, вгору, завдяки чому створюється електричне поле , спрямоване вниз, перпендикулярно електричному струму і магнітному полю. У стаціонарному стані, проте, холівского струму, тобто компоненти струму, не буде, т. до. холівске поле створює середній струм по осі Y, компенсуючий струм, що створюється магнітною силою Лоренца. Якщо під V розуміти середню дрейфову швидкість заряду, то можна сказати, що електрична сила урівноважується магнітною силою Лоренца:
. (33.8)
Слід зрозуміти, що окремі заряди матимуть траєкторії, викривлені магнітним полем, але макроскопічний струм дорівнюватиме нулю.
На закінчення приведемо формулу, яка зв'язує постійну Холу з концентрацією n зарядом носіїв e.
, (33.9)
де r - чинник Хола - число, яке залежить від механізму розсіяння : r зазвичай близько до одиниці (при розсіянні на акустичних фононах ). Знаючи r, і вимірявши R, визначають по формулі (33.9) концентрацію і знак заряду. Цим і є чудовим ефект Хола.
Адіабатичний ефект Еттінгсгаузена. Ефект полягає у виникненні поперечного градієнта температури(рис.42) (поперечного по відношенню до електричного струму) за умови адіабатичності, тобто
.
Формула (32.7) дає
,
Звідси
. (33.13)
Аналогічно (33.1) і (33.3) в слабкому магнітному полі
~.
Якщо переписати (33.13) у виді
, (33.14)
те коефіцієнт Еттінгсгаузена визначається співвідношенням
. (33.15)
Перейдемо тепер до фізичного пояснення виникнення ефекту Еттінгсгаузена. Існують два механізми виникнення ефекту. Один механізм відноситися до випадку, коли є один тип носіїв, другий, - до випадку, коли є два типи носіїв.
Припустимо, є дірковий напівпровідник. На дірку, що рухається зі швидкістю, діє сила, рівна
. (33.16)
При деякій швидкості сила дорівнює нулю, тоді
.
Якщо дірка рухається із швидкістю, більшої, те дірка відхиляється вгору (рис.43), т. до. магнітна сила Лоренца буде більше сили електричного поля Холу; якщо менше, те дірки відхилятимуться вниз. У результаті, дірки з більшою швидкістю будуть відтіснені до верхньої грані пластинки, а з меншою - до нижньої, внаслідок чого і з'являється градієнт температури.
Якщо в провіднику є два типи носіїв заряду, на-пример, дірки і електрони, то ефект Еттінгсгаузена виникає іншим шляхом. І дірки, і електрони відхиляються магнітним полем в один бік (на рис.44 - вгору).
Ця обставина призводить до зменшення поля Хола в провіднику зі змішаною провідністю в порівнянні з холівским полем в провідниках з одним типом носите-лей. Припустимо, що ми маємо напівпровідник з власною провідністю і, крім того, з рівними рухливостями електронів і дірок. Тоді поле Холу дорівнюватиме нулю і носії випробовуватимуть дію до магнітної сили. Носії з більшою енергією, так само як і з меншою енергією, відхилятимуться вгору (рис.44). Яким чином при цьому виникає градієнт температури? Він виникає внаслідок анігіляції і генерації електронно-діркових пар. На верхній грані надлишок електронно-діркових пар призводить до їх анігіляції, а на нижній їх недолік в порівнянні з рівноважним числом призводить до виникнення пар. Енергія, що виділяється анігілюючою парою, дорівнює величині забороненої зони (мал. 45).
Така сама енергія поглинається у кристалічній гратці при генерації пари електрон-дірка. Внаслідок значної величини різниця температур, що утворюється таким чином, між верхньою і нижньою гранями буде більше, ніж при першому механізмі. Для отримання більшого ефекту Еттінгсгаузена вживаються переважно напівпровідники, в яких є достатня кількість дірок і електронів.
У речовинах, що називаються напівметалами, концентрація носіїв на 3-4 порядки більше, ніж в напівпровідниках, проте в сенсі отримання значного эффекта Еттінгсгаузена придатні не усі напівметали. Типи розташування зони провідності і валентної зони в напівметалів наступне:
\
До першого типу відносяться, наприклад ; до другого -;до третього. У першому випадку заборонена зона, а в третьому перекриття зон - малі, а в другому випадку. Другий випадок, очевидно, не придатний, т. до. електрон переходить з однієї зони в іншу без витрати енергії. У третьому випадку електронний газ вироджений і теплові ефекти в ньому є слабкими. Найбільш придатним для ефекту Еттінгсгаузена є перший випадок.
Розділ 1. Термоелементи Нернста- Еттінгсгаузена.