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

Таким образом, термоэлементы с одинаковым успехом могут выполнять функции генераторов тока, охлаждающих устройств, тепловых "насосов и устройств комбинированного типа.

Принцип действия термоэлектрических генераторов, охлаждающих устройств и тепловых насосов основан на термоэлектрических эффектах, сопровождающихся необратимыми процессами теплопроводности ивыделения Джоулевой теплоты (рис. 8).

Термоэлементы, предназначенные для целей генерирования электроэнергии (рис. 8, а), охлаждения (рис. 8, б) или нагрева (рис. 8, в), в конструктивном отношении идентичны. Во всех слу-

6) Or

Рис. 8. Схематическое изображение термоэлементов, предназначенных для: а - генерирования электроэнергии; б - охлаждения; в - иагрева

чаях они состоят из стержней р- и п-типов, соединенных друг с другом коммутационной пластиной.

Термоэлементы, предназначенные для генерирования электроэнергии (рис. 8, а), включаются последовательно в электрическую цепь, в которой R - электрическое сопротивление, служащее потребителем электрической энергии. Физические явления, имеющие место в рассматриваемом случае, заключаются в том, что при нагревании одних спаев термоэлемента (горячих спаев) в участках полупроводниковых стержней, находящихся при более высокой температуре, энергия носителей заряда (скорость их теплового движения) оказывается более высокой, чем у носителей заряда, находящихся на участках, имеющих более низкую температуру. Благодаря этому возникает диффузия носителей заряда в направлении градиента температур, которая оказывается больше диффузии носителей заряда в противоположном направлении. Это явление приводит к тому, что на концах стержней возникает разность потенциалов. При постоянстве температур на спаях диффузия носителей заряда в направлении градиента температур тормозится электрическим полем внутри полупроводниковых стержней,



в результате чего устанавливается динамическое равновесие процесса диффузии носителей заряда и эффекта тормозящего поля. В случае, если электрическая цепь разомкнута, число носителей заряда, диффундирующих во взаимно противоположных направлениях внутри полупроводниковых стержней, одинаково. Однако энергия носителей заряда, движущихся от горячих спаев к холодным, выше, чем носителей заряда, движущихся им навстречу. Эта разность и является причиной переноса тепловой энергии, т. е. передачи теплоты теплопроводностью от горячих к холодным спаям.

Таковы упрощенные физические представления о возникновении разности потенциалов на спаях термоэлемента.

При замыкании электрической цепи по ней проходит электрический ток, обусловливающий возникновение эффектов Пельтье, Томсона и Джоуля.

Физическая сущность эффекта Пельтье заключается в том, что энергия носителей заряда главным образом зависит от природы вещества и характеризуется определенной величиной для каждого из материалов в зависимости от его температуры. Поэтому, переходя из одного материала в другой, носители заряда либо отдают свою энергию атомам вещества, либо приобретают ее за счет энергии последних, что связано с процессом подвода или отвода теплоты.

Поскольку этот процесс осуществляется вблизи зоны контакта разнородных материалов при прохождении тока, рассматриваемый участок нагревается или охлаждается в зависимости от направления тока. Описываемый процесс имеет место при любых обстоятельствах, независимо от того, носители какого знака заряда в нем участвуют [60]. Несколько сложнее обстоит дело в случае смешанного типа проводимости.

Эффект Томсона по своей физической природе во многом аналогичен эффекту Пельтье и обусловливается протеканием электрического тока по стержням термоэлемента, на которых имеется градиент температур.

При прохождении электрического тока по стержням термоэлемента термоэлектрические эффекты сопровождаются выделением Джоулевой теплоты. Этот процесс имеет место на любом участке электрической цепи, имеющей удельное электрическое сопротивление, отличное от нуля.

Выделение Джоулевой теплоты является результатом взаимодействий между электронами и структурными элементами кристаллической решетки вещества, вследствие которых энергия электронов частично или полностью расходуется на увеличение внутренней энергии тела. Выделение Джоулевой теплоты - процесс, при котором энергия электрического поля частично преобразуется в тепловую энергию материала.

Физические процессы, наблюдающиеся в термоэлементах, предназначенных для направленного переноса теплоты от одних 28



спаев к другим, аналогичны только что рассмотренным. Однако нагрев одних и охлаждение других спаев в этих случаях происходит в результате прохождения тока от постороннего источника электроэнергии через стержни термоэлемента [86], [173].

§ 3. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ, ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Теоретические зависимости для термоэлектрических устройств, впервые выведенные академиком А. Ф. Иоффе, леглив основу многих последующих исследований [14]. Эти зависимости позволили найти количественные соотношения между коэффициентом полезного действия и коэффициентом добротности, т. е. между коэффициентом полезного действия, с одной стороны, и значениями коэффициентов термоэдс, удельной теплопроводности и электрической проводимости материалов - с другой. Кроме того, они позволили установить влияние на величину коэффициента полезного действия перепада температур в полупроводнике.

В дальнейшем на основании формул, выведенных академиком А. Ф. Иоффе, были получены уточненные зависимости, используемые при расчетах термоэлектрогенераторов, охлаждающих устройств и термоэлектрических тепловых насосов [17], [21], [127]. Ввиду определенной специфики, ниже вывод теоретических зависимостей приводится отдельно для каждого из рассматриваемых типов термоэлектрических устройств.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ

Составим уравнение энергетического баланса для единичного термоэлемента, выполненного из полупроводниковых стержней р- и п-типов, соединенных коммутационной пластиной. Для упрощения теоретических зависимостей будем считать, что:

- термоэлектрические свойства полупроводниковых материалов стержней термоэлемента не зависят от температуры (такое предположение позволяет теплоту Томсона считать равной нулю);

- электрическое сопротивление коммутационных пластин и контакта между коммутационными пластинами и полупроводниковым веществом равно нулю;

- площади поперечных сечений стержней термоэлемента постоянны по высоте;

рассеяние тепла в окружающую среду отсутствует. Примем следующие обозначения, считая, что индексы р и п относятся к дырочному и электронному стержням термоэлемента соответственно:



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



0.001