ФІЗИЧНА СУТЬ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИХ ЯВИЩ

1.1. Загальні поняття

Термоелектричні явища полягають у тому, що коли ми складемо електричне коло з різних матеріалів, то можемо реалізувати два процеси (мал. 1):

  1. Якщо кінці провідників підтримувати при різних температурах, то на його кінцях виникає електрорушійна сила (термоерс), величина якої пропорційна різниці температур (ефект Зеєбека):

Е= a21), (1.1)

де a– коефіцієнт термоерс, Т2 і Т1 – температури кінців провідників.

  1. Якщо через таке коло пропускати електричний струм силою І, то у місці з’єднання провідників у залежності від напрямку струму буде виділятись або поглинатись кількість теплоти (ефект Пельтьє)

Q=ПIt (1.2)

де П – коефіцієнт Пельтьє.

Перше явище визначає принцип роботи термогенераторів, а друге – мікро- холодильників. Коефіцієнти a і П пов’язані між собою співвідношенням:

П=aТ (1.3)

Тоді вираз (1.2), що визначає кількість теплоти, яка виділяється або поглинається на спаї за одиницю часу, можна записати:

Q=aIT (1.4)

У випадку напівпровідникових матеріалів варто мати на увазі, що коефіцієнт термоерс визначається як різниця такого коефіцієнта для р- і n–типу провідності:


a=apan (1.5)

Коефіцієнт корисної дії термоелектричного матеріалу визначається безрозмірним коефіцієнтом ZT (термоелектрична добротність) [1,2]. Тут

Z=(a2s/c) (1.6)

де Z – термоелектрична добротність, s – питома електропровідність, c – коефіцієнт теплопровідності.

У випадку використання термоелектричного матеріалу як джерела енергії, його ефективність буде [2]:


(1.7)

Якщо ж матеріал використовується як охолоджувач, то його ефективність


(1.8)

Тут Тх, Тг – температури холодного і гарячого кінців відповідно, g=(1+ZT)1/2.

Числові значення безрозмірної термоелектричної добротності для матеріалів, які зараз використовуються, коливається в межах від 0,4 до 1,3. На жаль, за останні десятиліття не вдалось суттєво покращити цю величину. Тому будь-які дослідження, що приводять до зростання термоелектричної добротності, мають суттєве значення.

1.2. Основні вимоги до високоефективних термоелектричних матеріалів

Основним показником якості термоелектричного матеріалу є його добротність, що визначається з виразу (1.6). Величини, що її визначають, залежать від таких основних параметрів напівпровідникового матеріалу, як: концентрація носіїв заряду (n,p), їх рухливість mn, mp та ефективна маса mn*, mp*. Розрахунки показують [3], що максимальне значення величина a2s має при концентрації носіїв заряду в межах (4 … 5).1022 м-3. Таким чином, одним з шляхів підвищення якості термоелектричних матеріалів є їх глибоке легування (для отримання електронного чи діркового типу провідностей) або ж значне відхилення від стехіометрії, чи створення твердих розчинів.

Крім зазначеного вище, можна сформулювати ряд основних технологічних умов, без наявності яких термоелектричний матеріал не може бути достатньо ефективно застосований у термоелементах навіть при наявності у нього сприятливих параметрів. До таких умов можна віднести:

  1. Задовільні механічні властивості матеріалу і його здатність витримувати термоциклювання (нагрів і охолодження), яке відповідає реальним умовам його роботи.
  2. Мала пружність парів речовини і здатність надійно утримувати в собі легуючі добавки.
  3. Відсутність в речовині необоротних фізико-хімічних реакцій і перетворень, зокрема, окислення.
  4. Достатня ступінь змочування рідкими металами для створення теплових та електричних контактів.
  5. Мала граткова теплопровідність з такими ознаками:
  • Велика кількість атомів в окремій елементарній комірці;
  • Велика середня атомна маса елементів, що входять до основної матриці;
  • Кристалічна структура з високим координаційним числом на атом;
  • Кристалічні сполуки із слабо зв’язаними атомами в комірці, які мають здатність до інтенсивного коливного руху.

Таким чином, можна зазначити, що термоелектричні матеріали повинні задовольняти умовам, які дещо суперечливі – з одного боку, вони повинні мати достатню електропровідність (близьку до металів) і низьку теплопровідність (як у діелектриків). Все накладає значні обмеження на вибір матеріалу та ряд технологічних процесів.

Реалізація таких умов досягається тим, що термоелектричні матеріали або легують, або створюють значне відхилення від стехіометрії для створення достатньої концентрації носіїв заряду. Іншим шляхом може бути синтез твердих розчинів. Тверді розчини можна створювати як по компоненті А (наприклад, Pb1-xGexTe, Pb1-xSnxTe), так і по компоненті В (наприклад, PbTexS1-x, PbTexSe1-x). Так забезпечується достатня електропровідність матеріалів. Проте, є певні обмеження на числове значення величини х твердих розчинів. Зокрема, при x>0,4 на поверхні зразків Pb1-xGexTe спостерігаються фази GeTe, які значно погіршують їх властивості [3].

Мал. 2. Модель розміщення мікрокристаликів матеріалу при його пресуванні

Серед напівпровідникових сполук для термоелектричних явищ перевага надається телуриду свинцю. Зараз – це один з найкращих матеріалів. Для порівняння у табл. 1 [4] наведені параметри деяких з них.

У таблиці позначено: W – потужність, яку може створити одна вітка, h,%- коефіцієнт корисної дії, Sn/Sp – співвідношення перерізів розсіяння носіїв заряду, W/m – питома потужність на 1 г матеріалу.

Для зменшення тепло-провідності матеріал подріб-нюють до дрібнозернистого стану, а потім з нього пресують зразки. Завдяки тому, що пилинки мають малі площі дотику, теплопровідність зразка буде низькою. Один з прикладів розміщення мікрокристаликів у пресованому зразку показаний на мал. 2.


ЗАВАНТАЖИТИ

Для скачування файлів необхідно або Зареєструватись

термо курсова (1.2 MiB, Завантажень: 0)

завантаження...
WordPress: 23.11MB | MySQL:26 | 0,334sec