Адиабатический эффект Эттингсгаузена

температур между верхней и нижней гранями будет больше, чем при первом механизме. Для получения большего эффекта Эттингсгаузена употребляются преимущественно полупроводники, в которых имеется достаточное количество дырок и электронов.

В веществах, называемыми  полуметаллами, концентрация носителей на 3-4 порядка больше, чем в полупроводниках, однако в смысле получения значительного эффекта Этгингсгаузена пригодны не все полуметаллы. Типы расположения зоны проводимости и валентной зоны в полуметаллах следующие:

Рис.5.

К первому типу относятся, например, ; ко второму - ; к третьему -Bi. В первом случае запрещённая зона, а в третьем перекрытие зон - малы, а во втором случае. Второй случай, очевидно, не пригоден, т. к. электрон переходит из одной зоны в другую без затраты энергии. В третьем случае электронный газ вырожден и тепловые эффекты в нём оказываются слабыми. Наиболее пригодным для эффекта Эттингсгаузена является первый случай.

 

 

 

 

 

 

3.Основные термоэлектрические и гальванотермо-магнитные приборы для преобразования энергии.

Термоэлектрические  приборы

    Основной прибор этого класса - термопара, которая может быть использована тремя способами. На рисунках 6,7, 8 последовательно приведены принципиальные схемы применения термопары в качестве генератора электрической энергии, теплового насоса и холодильника.

                 Рис.6.                           Рис.7.                            Рис.8.

Отметим, что работа термопары  во внешней цепи А производится за счет разности теплот

           Если вместо внешней нагрузки подключить батарею, то в зависимости от способа подключения термопара может работать как тепловой насос или как холодильник. На рис. 7 батарея подключена так, чтобы электрическому току в ветвях термопары соответствовало движение электронов и дырок к спаю, температура которого выше температуры клеммы термопары. В этом случае электроны и дырки переносят энергию (поток тепла Пельтье), забираемую от резервуара с температурой к спаю, где энергия выделяется в резервуар с более высокой температурой . В этом случае термопара работает, как тепловой насос, перекачивая тепло из резервуара с более низкой температурой в резервуар с более высокой температурой.

На рис.8 батарея подключена так, чтобы электроны и дырки двигались от спая к клеммам. Тепло Пельтье теперь будет забираться у спая и отдаваться резервуару с температурой <. Если спай адиабатически изолировать, то работа термопары по откачке тепла от спая приведет к его охлаждению, поэтому устройство в целом, изображенное на рис. 8 , можно назвать холодильником.

Помимо термопары  термоэлектрическим устройством, служащим в качестве генератора, является анизотропный термоэлемент (рис.9).

                        Рис.9.                                                      Рис.10.

Принципиально возможно использовать анизотропный элемент также в качестве холодильника. Принцип действия его следующий. Пусть через анизотропный термоэлемент проходит электрический ток (рис. 10), который вызывает поток тепла Пельтье, направленный от верхней грани к нижней (поперечный эффект Пельтье). Если верхняя грань адиабатически изолирована, то полный поток тепла, являющийся суммой потоков тепла Пельтье и теплопроводности, равен нулю. Вследствие этого верхняя грань нашего элемента будет охлаждаться.

Гальванотермомагнитные приборы.

Рис.11.

Основными приборами  этого класса являются продольные и поперечные термомагнитные генераторы и холодильники. Продольный термомагнитный генератор - это не что иное, как термопара, помещенная в магнитное поле (рис. 11). Спрашивается, зачем термопару помещать в магнитное поле? Оказывается, иногда её термоэлектрические параметры при этом улучшаются. Схема термопары на рис. 11 эквивалентна схеме на рис. 6. п и р-ветви термопары изображены в увеличенном виде для удобства (разной длины и разного поперечного сечения). Вместо спая в настоящее время для соединения п и p-ветвей используют коммутационную пластинку, как это изображено на рис. 11. Генератор называется продольным по той причине, что электрический ток и градиент температуры в ветвях термопары коллинеарны.

      Поперечный термомагнитный генератор представляет собой помещенную в магнитное поле пластинку, на которую наложен градиент температуры (рис. 12). Вследствие анизотропии термоЭДС, обусловленной наличием магнитного поля, возникает поперечное по отношению к градиенту температуры электрическое поле (поперечный эффект Нернста-Эттингсгаузена). В поперечном термомагнитном холодильнике вместо внешней нагрузки (рис. 12), стоит батарея , которая создает в пластинке электрический ток (рис. 13). Этот ток вызывает поперечный по отношению к электрическому току ej поток тепла Пельтье  . При адиабатической изоляции одной грани последняя охлаждается (эффект Эттингсгаузена) Рис.13.

Рис.12.

 

Твердотельные холодильники на гальваномагнитном

эффекте Эттинсгаузена.

 

   Одним из возможных областей использования узкощелевых и

бесщелевых полупроводников  является твердотельная криогенная

техника . Наиболее эффективным материалом для создания малогабаритных холодильников считается система Bi-Sb , в котором при Н=10 кЭ в интервале 80÷300К добротность равна

 .

Исследование электрических  свойств  показали, что в ин-

тервале 150-300К добротность  в нем доходит  и не зависит от температуры что намного превышает для Bi-Sb. Поскольку , где и – температуры горячего и холодного спая. Поэтому в [268] предложено в качестве элемента Эттинсгаузена использовать .

       Элемент холодильника Эттинсгаузена располагается на теплоотводящем массе и размешается между полюсами постоянного магнита . При пропускании через элемент электрического тока на верхней грани образца происходит охлаждение.

       Заметим, что существенное повышение перепада температурыможно получить путем использования нескольких звеньев из отдельных элементов. Если учесть, что к каждому элементу прикладывается одно и то же электрическое поле, тогда электрической изоляции между элементами не требуется, т.е. охладитель может быть изготовлен из одного кристалла, имея в то же время бесконечное число элементов. Оптимальная форма кристалла должна быть близкой к экспоненциальной кривой (по сравнению с прямоугольной), имеющей экспоненциально-трапециидальной формы. Элемент Эттинсгаузена может применяться и как одна из ветвей гибридного охладителя Пельтье-Эттинсгаузена. Такие холодильники рекомендованы для охлаждения фотоприемников ИК излучения.

Наличие фазового перехода в  позволяет использовать его

также в качестве термоэлектрического  преобразователя, используемого в измерительной технике для усиления слабых электрических сигналов.

Заключение.

      Наиболее качественные и завершенные результаты из исследо-

ваний термомагнитных и термоэлектрических явлений получены начиная с 60-х годов. К тому времени была создана теория кинетических явлений для простого изотропного и квадратического закона дисперсии для электронов ε(К). Она позволила понять сущность, наряду с другими явлениями переноса заряда, и термомагнитные и термоэлектрические явления. Были анализированы температурные зависимости и зависимости от магнитного поля каждого коэффициента в области примесной и собственной проводимости. Выявлены основные механизмы рассеяния электронов во многих полупроводниках в широком температурном и концентрационном интервалах.

    Но в этой  науке ещё остаётся множество  не исследованных областей ,которые стоит изучить и реализовать. Множество интересных возможностей.

      Например , область исследования термомагнитных явлений в настоящее время ограничена, примерно Т>20-30К. Необходимо ее расширить в сторону низких температур T< 20К и это может привести к качественно новым явлениям.

      Несмотря  на достигнутые большие успехи  практического при-

менения узкощелевых и  бесщелевых полупроводников, а также  полуметаллов, следует остановиться и на их неограниченных перспективах. Чрезвычайная высокая подвижность электронов в них позволяет значительно увеличить быстродействие электронных приборов, доведя их до сотен наносекунд.

    Все еще большой интерес вызывает создание активных лазеров и

фотоприемников, работающих в среднем и длинном ИК-диапазонах

длин волн (λ=3-20 мкм). Освоение данного диапазона представляет интерес для целей связи, так как в этом диапазоне существует окна прозрачности земной атмосферы (3,5-4 мкм, 4,505 мкм, 8-14 мкм, 16-23 мкм), для спектроскопии и мониторинга окружающей среды, где находятся частоты колебательно-вращательных переходов многих молекул.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

1. Цидильковский И.М. Термомагнитные явления в полупроводни-

ках. Гос. Изд. Физ-мат. лит. Москва, 1960.

2. Lloyd M.G. Amer. J. Sci. 12, 57, 1901.

3. Wold O.E. Phys. Rev. 7, 169, 1916.

4. Buckley O.E. Phys. Rev. 4, 482, 1914.

5. Gottstein G. Ann. Phys. 43, 1070, 1914.

6. Little N.S. Phys. Rev. 28, 418, 1926.

7. Носков М.М. ЖЭТФЭ, 401, 1937.

8. Sommerfeld A. Zs. Phys. 47, 43, 1928.

9. Sommerfeld A. and Frank nN.H. Rev. Mod. Phys. 3, 1, 1931.

10. Бронштейн М.П. Sov. Phys. 2, 28, 1932.

11. Давыдов Б.И. и Шмушкевич И.М. УФН, 24, 21, 1940.

12. Писаренко И.Л. Уч. Зап. Лен. Пед. Ин-та, 31, 5, 1940.

13. Писаренко Н.Л. Изв. АН СССР, сер. физ., 5, 417, 1941.

14. Wright R. Proc. Phys. Soc. A64, 984, 1951.

15. Толпыго К.Б. Труды Ин-та Физики АН УССР, 3, 52, 1952.

16. Madelung O. Zs, Naturforsch., 9a, 667, 1954.

17. Басс Ф.Г. и Цидильковский И.М. ЖТФ, 24, 1834, 1952.

18. Басс Ф.Г. и Цидильковский И.М. ЖТФ, 31, 672, 1956.

19. Басс Ф.Г., Баширов Р.И. и Цидильковский. Изв. АН АзССР, 10,3, 1956.

20. Цидильковский И.М. ЖТФ, 28, 1171, 1958.

21. Басс Ф.Г. и Цидильковский И.М. ЖТФ, 28, 321, 1955

22. Гурьвич В.Л., Образцов Ю.Н. ЖТФ, 32, 290, 1957.

23. Клингер М.И., Новикова В.Г., Агафонов В.Н. ЖТФ, 26, 2185,1956.

24. Lare-Horoviyza, Scanlon W. Bull. Am.Phys. Soc., 23, 26, 1948.

25. Бабаев А.А. Дис. Ин-т Физ. И Мат. АН Аз.ССР, 1949.

26. Амирханов Х.И. ЖТФ, 21, 240, 1951.

27. Гаибов А.З. Дис. Ленингр. Гос. Пед. Ин-т. 1954.

28. Вздронов В.Е. и Цидильковский И.М. ФММ, 8, 671, 1959.

29. Цидильковский И.М. и Широковский В.П. ФММ, 9, 321, 1960.

30. Вздронов В.Е. и Цидильковский И.М. ФММ, 7, 801, 1950.

31. Цидильковский И.М. Электроны и дырки в полупроводниках.

М.: Наука, 1972.