Б) термопарна батарея

Отримання електричного струму з використанням ефекту Зеєбека має багато переваг: відсутність рухомих частин механізмів, можливість роботи з малими різницями температур спаїв тощо. Термобатареї успішно замінили б теплові електростанції, якби не надто низький коефіцієнт їхньої корисної дії. Для металевих термопар він не перевищує 0,1%, тому ці термопари використовуються лише для вимірювання температури. В напівпровідникових термопарах він значно вищий, досягаючи в окремих випадках ~30%. Елементи такої термопари складаються, як правило, із напівпровідників протилежних типів провідності, або використовуються гетеропереходи.

10.7. Ефект Пельтьє

Створимо у колі, яке складається із двох різних за хімічним складом провідників А та Б,

електричний струм, рис. 10.7.1. На контактах, як і на інших елементах кола, виділяється тепло Джоуля

QD = I

2 Rt, де R – електричний опір в області контакту. В місцях з’єднання однакових провідників – це

єдине тепло, тобто контакт між однаковими провідниками практично не відрізняється від суцільної ділянки кола. На контакті провідників із різним хімічним складом при проходженні струму, крім тепла

Джоуля, виділяється або поглинається при зміні напрямку струму тепло, додаткове до джоулевого

тепла. Це явище, відкрите в 1834 р. французьким фізиком Жаном Пельтьє, названо ефектом Пельтьє, а надлишкове тепло – теплом Пельтьє.

Дослід показує, що кількість тепла Пельтьє пропорційна силі струму та часу його проходження,

тобто пропорційна величині заряду, що пройшов крізь контакт

QP = ПIt. (10.7.1) Коефіцієнт пропорційності П називається коефіцієнтом Пельтьє і, як видно з (10.7.1), вимірюється у вольтах. Явище Пельтьє є оберненим до явища Зеєбека. Теорія виводить простий зв’язок між

коефіцієнтом Пельтьє і коефіцієнтом ТЕРС

П = α Τ, (10.7.2)

де Т – абсолютна температура. Як і коефіцієнт ТЕРС, коефіцієнт Пельтьє залежить од природи провідників, що контактують, і, як видно з (10.7.2), практично лінійно залежить від температури.

Рис. 10.7.1. Ефект Пельтьє: а) схема для дослідження явища; б) до пояснення ефекту Пельтьє.

Для дослідження явища Пельтьє використовується установка, схема якої зображена на рис. 10.7.1. а.

В калориметрі, де тепло Пельтьє виділяється, загальне тепло виражається формулою

Q + = I 2 Rt + ПIt. (10.7.3)

В іншому калориметрі тепло Пельтьє, навпаки, поглинається, тобто

Q − = I 2 Rt − ПIt. (10.7.4)

За цими даними обчислюється коефіцієнт Пельтьє

+

П = Q

− Q −

. (10.7.5)

2 It

Для металевих контактів при кімнатній температурі коефіцієнт Пельтьє не перевищує 10−3K10−2B. В

напівпровідниках він значно більший, складаючи 10−3K0, 3 B.

Якщо омічний опір R контакту незначний, то загальне тепло Q −

на холодному контакті, як видно з

(10.7.4), має від’ємний знак, тобто температура контакту стає нижчою від температури навколишнього

середовища. З (10.7.4) видно, що ця умова виконується, якщо

IR < Π. Мінімальну температуру

I

отримаємо, дослідивши (10.7.4) на екстремум, що дає

Tmin = Π

2 R. З подальшим збільшенням сили

струму температура на холодному спаї зростатиме, оскільки тепло Джоуля пропорційне квадратові сили струму, тоді як тепло Пельтьє лише лінійно залежить від нього, тому зростає повільніше.

Явище Пельтьє використовується для виготовлення охолоджувальних пристроїв – побутових холодильників, малогабаритних охолоджувачів для вузлів, які експлуатуються при низьких температурах, наприклад, фотопомножувачі. Термоелектричний метод охолодження має суттєві переваги над традиційними методами. Термоелектричні холодильники мають малі габарити, у них відсутні рухомі вузли.

Механізм явища Пельтьє полягає в тому, що електрони провідності провідників різного хімічного складу мають неоднакові енергії. Як приклад розглянемо контакт металу з напівпровідником n- типу, рис. 10.7.1. б. Повна енергія електронів у зоні провідності напівпровідника виявилася більшою ніж у

металі. Якщо електрони переходять із напівпровідника до металу, то вони переносять у метал деяку

надлишкову енергію

Δ U, яка виділяється у вигляді тепла поблизу контакту, тобто тепла Пельтьє. Якщо

напрямок струму змінити на протилежний, то електрони, переходячи від металу до напівпровідника,

повинні поглинути кожний енергію Δ U, що спричиняє охолодження контакту.