Главная - Литература

0 1 [2] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93

Глава

Основы теории термоэлектрических процессов

§ 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ

ПРОВОДНИКИ, ИЗОЛЯТОРЫ, ПОЛУПРОВОДНИКИ

Известно, что существующие в природе элементарные вещества и химические соединения по ряду физических характеристик делятся на три класса: два основных - проводники и изоляторы и один промежуточный - полупроводники.

Проводники и изоляторы отличаются противоположными электротехническими свойствами. Полупроводники характеризуются существенными количественными и качественными отличиями от проводников и изоляторов.

Таблица 1

Удельное электрическое сопротивление проводников, полупроводников и изоляторов при комнатной температуре

Материал

Удельное электрическое сопротивление р, вмсм

Класс

Наименование

Проводники

Алюминий Медь Серебро Железо

i.e-io-" i.s-io-" lo-io-"

Полупроводники

ZnSb (р-тип) РЬТе (и-тип) BigTcs-BigSeg (и-тип) BigTes-SbaTeg (р-тип)

0,67-103 1-10-=* 0,67-10-3

Изоляторы

Полиэтилен

Полихлорвинил

Гетинакс

Слюда (мусковит)

101=101

1012101*

1011ч-1013

10141015



Одной из основных, определяющих характеристик. электротехнических свойств любого материала является удельное электрическое сопротивление р или удельная электрическая проводимость а = -)• Для многих материалов р может быть различным

в зависимости от кристаллографического направления, в котором оно измеряется. Весьма существенное влияние на его величину оказывает температура. У чистых металлов и многих их сплавов с увеличением температуры р возрастает, у полупроводников и изоляторов - уменьшается.

В некоторых случаях температурные изменения удельного электрического сопротивления оказываются настолько большими, что при значительном нагревании изоляционные материалы могут стать проводниками (например, стекло).

Различия физических свойств некоторых материалов, относящихся к рассмотренным классам веществ, иллюстрируются данными табл. 1.

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРШНЫЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА

Твердые тела, наиболее часто применяемые в термоэлектричестве, имеют кристаллическую структуру, свойственную не только металлам, но и большинству полупроводниковых материалов.

Из общих курсов физики известно, что затвердевание элементарных веществ и химических соединений может происходить в результате увеличения вязкости или появления в жидкости микроскопических твердых частиц, имеющих форму многогранников (кристаллов). В первом случае жидкость превращается в стеклообразное твердое тело. Процесс затвердевания идет непрерывно, и точка перехода из жидкого состояния в твердое точно установлена быть не может. Твердое тело подобного типа называется аморфным и может рассматриваться как переохлажденная жидкость. Кроме отсутствия фиксированной температуры перехода из жидкого состояния в твердое, аморфные тела характеризуются изотропией свойств, т. е. идентичностью численных значений физических характеристик, измеренных по всем направлениям.

В подавляющем большинстве случаев затвердевание жидкости сопровождается появлением кристаллов. Процесс затвердевания идет при постоянной для данного вещества температуре. В отличие от аморфных тел кристаллические материалы характеризуются анизотропией свойств, т. е. зависимостью основных физических характеристик от кристаллографического направления, в котором они измеряются.

Таким образом, кристаллические тела отличаются упорядоченностью внутренней структуры, при которой атомы, ионы и 10



молекулы располагаются в узлах геометрически правильных пространственных решеток. Если в газах и жидкостях молекулы, ионы и атомы в процессе теплового движения могут перемещаться по всему объему, занимаемому средой, то в твердых телах кристаллического строения их тепловое движение сводится к колебаниям около узлов кристаллической решетки.

Поскольку между молекулами, ионами и атомами кристаллической решетки существуют определенные связи и при этом они находятся в состоянии колебательного теплового движения, любая кристаллическая решетка характеризуется конечными значениями потенциальной и кинетической энергии. Сумма этих значений называется внутренней энергией решетки. Доказано, что любая кристаллическая решетка, представляющая собой плотную упаковку атомов, молекул и ионов вещества, характеризуется минимальной потенциальной энергией системы. Для разных типов кристаллических решеток плотность упаковки структурных элементов, характеризующаяся так называемым координационным числом, различна.

В зависимости от типа структурных элементов и характера сил взаимодействия между ними в кристаллографии различают четыре типа кристаллических решеток: атомные, ионные, молекулярные и металлические.

В атомных кристаллических решетках, образованных из атомов вещества, структурные элементы находятся под действием так называемых ковалентных сил. Возникновение этих сил обусловливается наличием в составе некоторых молекул электронных пар: двух электронов, обладающих одинаковой энергией и противоположными спинами. Ковалентная связь атомов наиболее прочная. Она характерна для материалов, отличающихся тугоплавкостью, большой скрытой теплотой испарения и твердостью (например, алмазов).

Ионные кристаллические решетки состоят из попеременно чередующихся положительных ионов металла и отрицательных ионов металлоида. Благодаря противоположным зарядам ионов между ними возникают электростатические силы притяжения. Ионные кристаллы характерны для таких веществ, как поваренная соль, хлористый цезий и др.

Молекулярные кристаллические решетки образуются из полярных молекул, между которыми возникают силы взаимодействия, так называемые ван-дер-ваальсовы силы, имеющие электрическую природу. В молекулярной решетке они осуществляют довольно слабую связь. Молекулярную кристаллическую решетку имеют лед, природная сера и многие органические соединения.

Металлические кристаллические решетки характеризуются наличием в их узлах положительно заряженных ионов металла. Между положительно заряженными ионами возникают силы отталкивания, однако благодаря свободным электронам, имею-



0 1 [2] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93



0.0012