Чудо  - Рациональность - Наука - Духовность

Клуб Исследователь - главная страница

ЖИЗНЕННЫЙ ПУТЬ - это путь исследователя, постигающего тайны мироздания

Чем больше знаешь, тем больше убеждаешься что ни чего не знаешь...

Главная

Библиотека

О клубе
ГАИ "Алтай-Космопоиск"
Путеводитель по Алтаю
Маршруты (походы)
   Туризм

X-files

Наука и технологии

Техника и приборы

Косморитмодинамика

Новости

Фотоальбомы

Видеоальбомы

Карты (треки)

Прогноз погоды

Контакты

Форум

Ссылки, баннеры

 

Наш сайт доступен

на

52 языках

 

 
Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.
 
 
 
 
 
  Locations of visitors to this page
LightRay Рейтинг Сайтов YandeG Яндекс цитирования Яндекс.Метрика

 

Besucherzahler

dating websites

счетчик посещений

russian brides

contador de visitas

счетчик посещений

 

 

Здесь

может быть ваша реклама.

 

Наука и технологии

Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов "Эффективная физика"
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  Й  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Щ  Ы  Э  Ю  Я   По связи разделов
Томсона эффект в полупроводниках
Объемное выделение или поглощение тепла в полупроводнике при совместном действии электрического тока и градиента температуры

Анимация

Описание

Эффект Томсона относится к термоэлектрическим эффектам и заключается в следующем: при пропускании электрического тока через полупроводник (или проводник), вдоль которого существует градиент температуры, в нем, помимо джоулева тепла, в зависимости от направления тока будет выделяться или поглощаться дополнительное количество тепла (теплота Томсона).

Неравномерное нагревание первоначально однородного образца меняет его свойства, делая вещество неоднородным. Поэтому явление Томсона  это, в сущности, своеобразное явление Пельтье с той разницей, что неоднородность вызвана не различием химического состава образца, а неодинаковостью температуры.

Опыт и теоретические расчеты показывают, что явление Томсона подчиняется следующему закону: 

 

,

 

где  - тепло Томсона, выделяющееся (или поглощающееся) за единицу времени в единице объема полупроводника  (удельная тепловая мощность);

j - плотность тока;

 - градиент температуры вдоль образца;

t - коэффициент Томсона, зависящий от природы полупроводника и его температуры.

 

Приведенная выше формула (так называемая дифференциальная форма закона) может быть применена к отрезку образца x, вдоль которого течет ток I и имеется некоторый перепад температур:  (см. рис. 1).

 

Полупроводник со смешанной проводимостью

 

 

Рис. 1

 

Закон Томсона в интегральной форме определяет полное количество тепла Томсона Qt , выделившееся (или поглотившееся) во всем рассматриваемом объеме полупроводника (DV=SЧDx) за время t

 

,

 

или окончательно:

QttЧDЧIЧ t.

 

При этом эффект Томсона считается положительным, если электрический ток, текущий в направлении градиента температуры (­­ dT/dx), вызывает нагревание полупроводника (Qt>0), и отрицательным, если при том же направлении тока происходит его охлаждение (Qt<0).

Объяснение явления Томсона для полупроводников с одним типом носителей (электроны или дырки) аналогично случаю металлических проводников. Во-первых, необходимо учесть изменение средней энергии носителей заряда вдоль образца из-за его неравномерного нагрева. В более нагретой части полупроводника средняя энергия электронов (или дырок) больше, чем в менее нагретой. Поэтому, если направление тока в полупроводнике соответствует движению носителей тока от горячего конца к холодному, то они будут передавать свою избыточную энергию кристаллической решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона (Qt>0).

При обратном направлении тока носители заряда, двигаясь от холодного конца к нагретому, будут пополнять свою энергию за счет решетки, т.е. происходит  поглощение соответствующего количества теплоты (Qt<0).

В полупрводниках со смешанной проводимостью при наличии тока электроны и дырки движутся навстречу друг другу, и переносимые ими тепловые потоки будут компенсироваться. Так, на  рис. 1 дырки движутся от горячего конца к холодному, что при отсутствии электронной проводимости должно приводить к выделению тепла Томсона. Однако с движением электронов (от холодного конца к горячему) связано поглощение тепла. В результате, при равенстве концентраций и подвижностей электронов и дырок тепло Томсона не выделяется ( Qt=0 ).

Второй фактор, который необходимо учесть, связан с электрическим полем термоэдс, возникающим в условиях неоднородности температуры (рис. 2, 3). 

 

Выделение и поглощение тепла Томсона в электронном полупроводнике

n - semiconductor

 

 

Рис. 2

 

Выделение и поглощение тепла Томсона в дырочном полупроводнике

p - semiconductor

 

 

Рис. 3

 

Рассмотрим полупроводник с электронной проводимостью. Пусть Т12, т.е. градиент температуры направлен от точки 2 к точке 1 (рис. 2). Диффузия электронов от горячего конца к холодному приводит к разделению зарядов, в результате возникает электрическое поле термоэдс ЕТ, направленное от 1 к 2, т.е. против градиента температуры. Если ток течет в направлении градиента температуры (электроны движутся в направлении поля ЕТ), то поле ЕТ будет замедлять электроны, а участок полупроводника 1-2 станет охлаждаться (Qt<0). Если ток течет в обратном направлении, то произойдет нагревание участка 1-2

В дырочном полупроводнике соотношения будут обратными (рис. 3). Явление выглядит так, как если бы на обычный поток тепла, вызванный теплопроводностью, накладывался дополнительный поток тепла, связанный с прохождением электрического тока. В дырочных полупроводниках дополнительный поток тепла направлен в ту же сторону, куда течет электрический ток. В электронных полупроводниках направления тока и тепла противоположны.

Рассмотренные факторы действуют в противоположных направлениях, определяя не только величину, но и знак t и Qt

Для количественного исследования явления Томсона может служить опыт, схема которого приведена на рис. 4.

 

Схема опыта по наблюдению эффекта Томсона

 

 

Рис. 4

 

Берутся два одинаковых стержня АВ и СD из испытуемого материала (например полупроводник р - типа). Концы А и С соединяются вместе и поддерживаются при одинаковой температуре (например, ТAC=100°С). Температуры свободных концов В и D также равны (например, ТВD=0°С). В опыте измеряют разность температур для двух точек а и b, выбираемых таким образом, чтобы в отсутствие тока их температура была одинакова (Тab0). При пропускании электрического тока в одном стержне (на рисунке - это стержень CD) дополнительный поток тепла  проходит слева направо (Qt>0), а в другом  стержне (AB) - справа налево (Qt<0). В результате между точками а и b возникает разность температур DТ=Тa -Тb, которая регистрируется термопарами. При изменении направления тока знак разности температур изменяется на противоположный.

Эффект Томсона, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер.

Коэффициент Томсона связан с коэффициентами Пельтье p и термоэдс a соотношением Томсона:

 

.

 

Для цепи, составленной из двух разнородных материалов, имеем:

 

.

 

Учитывая эти соотношения, можно получит величину зависимости t от температуры, концентрации носителей и др.

Из измерений коэффициента Томсона можно определить коэффициент термоэдс одного материала, а не разность коэффициентов двух материалов, как при непосредственном измерении a и p. Это позволяет, измерив t и определив из него aв одном из металлов, получить абсолютную термоэлектрическую  шкалу.

Эффект Томсона не имеет технического применения, однако его необходимо учитывать в точных расчетах термоэлектрических устройств.

Эффект был описан и открыт в 1854 г. Вильямом Томсоном, который развил термодинамическую теорию термоэлектричества.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до 2);

Время существования (log tc от 13 до 15);

Время деградации (log td от -3 до 2);

Время оптимального проявления (log tk от -2 до 1).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Реализация эффекта Томсона в полупроводниках

Описание технической реализации эффекта Томсона (схема опыта для количественного исследования явления) приведено в разделе “сущность”  см. рис. 4 и комментарии к нему.

Применение эффекта

Эффект Томсона не имеет технических применений, но должен учитываться в относительно точных расчетах термоэлектрических устройств. 

Например, при определении коэффициента полезного действия термоэлектрических генераторов для учета тепла Томсона коэффициент  термоэдс вычисляется как средняя величина значений a на обоих концах термоэлемента.

Литература

 1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.3.- С.552.- Т.5.- С.98-99.

 2. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.481-490.

 3. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников.- М., 1967.- С.75-83, 292-311.

 4. Иоффе А.Ф. Полупродниковые термоэлементы.- М., 1960.

Ключевые слова

  • полупроводник
  • полупроводники р - и n - типа
  • носители заряда
  • электроны
  • дырки
  • электрический ток
  • плотность тока
  • электронная и дырочная проводимость полупроводников
  • градиент температуры
  • удельная тепловая мощность
  • тепловой поток
  • тепло Джоуля-Ленца
  • термоэлектрические явления
  • тепло Томсона
  • коэффициент Пельтье
  • коэффициент термоэдс
  • коэффициент Томсона
  • термоэлемент

Разделы естественных наук:

Полупроводники
Твердые тела
Термодинамика
Термоэлектрические явления
Электрический ток в твердых телах
Электрическое поле

Формализованное описание Показать