Осымша әдебиет: 3[50-56, 105-129], 16[5-20]

Бақылау сұрақтары:

1. Металдардағы ток тасымалдаушы табиғаты.

2. Толмен және Стюарт тәжрибелері. Холл эффектісі.

3. Шала өткізгітердің табиғаты.

4. Электрөткізгіштің температураға тәуелділігі. Төтенше өткізгіштік.

5. Металдардың, жартылай өткізгіштердің және диэлектриктердің энергетикалық зоналары.

6. Жартылай өткізгіштітердің меншікті және қоспалы өткізгіштігі. Донорлар және акцепторлар.

7. Жартылай өткізгішті диод және транзистор.

Дәріс 8. Тақырыбы: Термоэлектрлік құбылыстар.

Қарастырылатын сұрақтар:

Жылулық электроқозғаушы күш. Зеебек, Пельтье және Томсон құбылыстары. Металл емес қатты денелердің өткізгіштігі. Электролиттердің электрөткізгіштігінің механизмі және оның температураға тәуелділігі. Газдардың электрөткізгіштігі. Иондау және рекомбинация. Иондық көшкін. Тәуелсіз газ разрядтарының негізгі түрлері: солғын, ұшқын, тәж және доғалық разрядтар. Термоэлектрондық эмиссия

Дәріс мазмұны:

8.1. Металдардағы және шала өткізгіштердегі жылулық және электрлік құбылыстардың арасында өзара байланыс бар. Мысалы, металда температураның градиентін тудырса, яғни оны біркелкі емес кыздырса, онда жылу ағыны пайда болады. Бұл жылу ағынын тудыруда электрондарда қатысады. Олай болса, біркелкі қыздырылмаған металда электрондардың бағытталған қозғалысы, яғни электрлік ток пайда болады. Температураның градиенті өте үлкен болмағанда пайда болатын ток тығыздығы температура градиентіне тура пропорционал болады . Егер температура градиенті мен қатар электр өpici де нөлден өзге болса

(8.1.1)

мұндағы -металдың электр өткізгіштігі, -металды сипаттайтын жалпы жағдайда температураға тәуелді шама.

Ток тығыздығы сияқты жылу ағынының тығыздығы да тек температура градиенті мен ғана емес, электр өрісімен де анықталады

(8.1.2)

Онзагер және шамалары қатынасымен бip-бipiмeн байланысты екенін көрсеткен.

Жоғарыда келтірілген (8.11.1) және (5.11.2) өрнектерін басқаша былай жазуға болады

, (8.1.3)

мұндағы , және . Соңғы формулалардың біріншi өрнегінен өткізгіште ток жоқ кезінде де, егер ол біркелкі қыздырылмаған болса, электр өpici пайда болатынын байқаймыз.

(8.1.4)

Бұл формула біркелкі қыздырылмаған металдарды пайдаланып ЭКҚ көздерін жасауға болатынын көрсетеді. Бipaқ бұл үшін бір металл жеткіліксіз. Ceбeбi ЭКҚ электр өpici кернеулігінен тұйық контур бойымен алынған интеграл болғандықтан

егер тұйық тізбек екі түрлі металдардан тұратын болса, ЭҚК нөлден өзге болады.

8 .1.1. Зеебек кұбылысы. Егер екі түрлі металдардың тұйық тізбек жасап, осы кезде пайда болатын 1 және 2 жапсарларды әр түрлі температурада ұстаса, тізбек бойымен ток жүретін байқалады, яғни тізбекте ЭҚК пайда болады (8.1.1-сурет). Бұл құбылысты 1821 жылы Зеебек ашқан. Зеебек құбылысын жоғарыда қарастырыған біркелкі кыздырылмаған металдарда ЭҚК пайда болатындығымен түсіндіруге болады.

Шынында 8.1.1-сурет

(8.1.1.1)

Егер болса, (8.1.1.1) интеграл нөлге тең болмайды, яғни тізбекте ЭҚК пайда болады. Бұл ЭҚК-ті жылулық ЭҚК деп атайды, ал екі түрлі металдардан тұратын тұйық тізбек термо элемент, болмаса термопара деп аталады. Зеебек құбылысының байқалуының негізінен екі түрлі ceбeбi бар. Біріншіci екі түрлі металдардың Ферми деңгейлерінің бірдей еместігі және олардың температураға тәуелділігі. Екіншісі біркелкі кыздырылмаған екі түрлі металдарда пайда болатын потенциалдар айырымдарының алгебралық қосындысының нөлге тең болмайтындығы. Зеебек құбылысы кезінде пайда болатын ЭҚК анықтайтын (8.1.1.1) өрнектегі Q және Q шамалар ең алдымен металдардың табиғатына және температураға тәуелді. Егер белгілі температуралар аралығында Q және Q шамаларды тұрақты деп есептеуге болатын болса,

(8.1.1.2)

мұндағы - меншікті термоЭҚК деп аталады және жапсарлардағы температуралар айырымы бipгe тең болған кездегі пайда болатын ЭҚК шамасымен анықталады. ЭҚК-тің бірлігі (практикада ). Көпшілік пар металдар үшін Q - шамасы (l0 ) аралығында жатады. Ал әр түрлі типті шала өткізгіштер пары үшін дейін жетуі мүмкін, ceбeбi екі түрлі (n-типті және р-типті) шала өткізгіштер үшін Q және Q - лердің таңбалары әр түрлі болғандықтан .

Жалпы жағдайда термоЭҚК температураға сызықты түрде тәуелді емес, тіпті таңбасы да өзгеруі мүмкін. Мысалы, темір-мыс тұйық тізбегінің бip жапсарын 0°С- да, екіншісін 540° С ұстаса термоЭҚК нөлге айналады.

Зеебек құбылысын температураны өлшеу үшін қолданады. Температураны өлшеу үшін қолданатын термоэлемент термопара деп атайды. 5.11.1.2-суретте температураны практикада жиі қолданылатын термопараны қолданып өлшеудің бip схемасы (әдіci) келтірілген.

8.1.2. Пельтье құбылысы. Жылу ағынының формуласынан (5.11.2) жылу ағыны температура градиенті жоқ кезде де бола алатындығын көреміз. Сондықтан екі түрлі металдардан құрылған тұйык тізбек аркылы ток жіберсе, тізбек жапсарларында жылу бөлінеді (жұтылады).

(8.1.2.1)

- бірлік уакытта жапсардағы бөлінетін жылудың мөлшерін анықтайды. Бұл құбылысты 1834 жылы Франция ғалымы Пельтье ашқан. Тәжірибелер негізінде жапсарда бөлінетін (жұтылатын) жылудың шамасы осы жапсар аркылы өтетін зарядтың шамасына тура пропорционал екендігі тағайындалған .

Соңғы формуладан бірлік уакытта бөлінетін (жұтылатын) жылу үшін (5.11.2.1) шығады. П-Пельтье коэффициенті деп аталады. Пельтье коэффициенті сан жағынан жапсар арқылы бірлік электрлік заряд өткен кезде онда бөлінетін энергияның шамасымен анықталады. Тізбектегі токтың бағытын өзгерткен кезде Пельтье коэффициенті таңбасын өзгертеді, яғни жылу бөлінетін жапсарда жылу жұтылады да, жылу жұтылатын жапсарда жылу бөлінеді. СИ системасындағы Пельтье коэффициентінің бірлігі .

Көпшілік пар металдар үшін Пельтье коэффициенті ()В аралығында жатады.

Пельтье құбылысын пар металдар үшін былай түсіндіруге бола­ды: әр түрлі металдардағы электрондардың орта кинетикалық энер­гиялары әр түрлі. Сондықтан ток электрондарының орта энергиясы кішi металдан, орта кинетикалық энергиясы үлкен металға қарай бағытталған болса, бұл кезде кepi қарай козғалатын орта кинети­калық энергиясы үлкен электрондар екінші металға өткен кезде төменгі энергетикалық деңгейлерге өтуге (түсуге) мүмкіндік алады. Осы кезде электрондар өзінің артық энергиясын торға береді, яғни жапсар кызады. Егер токтың бағыты керісінше болса, орта кинети­калық энергиясы кішi электрондар екінші металға өткенде жоғарғы энергетикалық деңгейлерге өтуге мәжбүр болады. Бұл электрондар жетіспейтін энергияны тордан алады, сондықтан жапсар суиды. Ал егер тізбек екі түpлi (n және р – типті) шала өткізгіштерден тұратын болса, онда ток бағытталған 1 жапсарда n-типті шала өткізгіштің электрондарымен р-типті шала өткізгіштің кемтіктері кездесіп бейтараптанады. Бұл кезде бөлінген энергия жапсарды кыздырады. Керісінше 2 жапсардан электрондар мен кемтіктер сорылып алынуға тиісті болғандыктан, 2 жапсарда электрондар мен кемтіктердің парланып пайда болуы керек (бұл кезде электрондар p-типтi шала өткізгіштің валенттік зонасынан n -типті шала өткзгіштің өткізгіштік зонасына өтеді). Осы үшін керек энергия тор энергиясы есебінен алынады, сондықтан 2 жапсар суиды (8.1.2.1-сурет). Пельтье құбылысын мұздатқыш машиналар жасау және ғимараттарды, пәтерлерді жылыту үшін қолдануға болады.

8.1.3. Томсон құбылысы. Біркелкі қыздырылмаған өткізгіш арқылы ток жүретін болса, онда косымша жылу бөлінеді. Бұл құбылысты Томсон құбылысы деп атайды. Егер өткізгіште температура градиенті болмаса, (Т = const болса), тек Джоуль жылуы ғана бөлінер еді. Жылу ағыны бар кезде (gradT ) өткізгіште бөлінетін жылу

(8.1.3.1)

соңғы формулаға өpic кернеулігі мен жылу ағынының өрнектерін қойсақ,

(8.1.3.2)

Бұл формуладағы - Томсон коэффициенті, біріншi мүше Джоуль жылуы, екінші мүше Томсон құбылысының нәтижесінде пайда болатын қосымша жылу. Бұл жылу токтың біріншi дәрежесіне пропорционал, сондықтан токтың бағыты өзгерген кезде таңбасын өзгертеді, яғни Томсон жылуының бөлінуі де, жұтылуы да мүмкін.

8.2. Сұйық заттардың электроөткізгіштігі.

8.2.1. Молекулалардың диссоциациялануы мен молдануы.

Диссоциациялану коэффициенті иондар концентрациясының N ерітілген зат молекулаларының N концентрациясына катынасымен анықталады

, (8.2.1.1)

Диссоциацияланбаған молекулалардың бірлік көлемдегі саны

(8.2.1.2)

Ерітіндіде диссоциация процесімен қатар, оған кepi процесс - иондардың бірігіп, нейтрал молекулаларға айналу процесі жүреді. Диссоциация процесі кезінде пайда болатын иондардың саны көбейген сайын кepi процестің интенсивтігі арта түседі. Пар иондардың концентрациясы белгілі бip шамаға жеткенде динамикалық тепе-тендік күй орнығады. Осы кезде оң және тepic иондардың концентрациясының диссоциация процeci кезінде өзгеру жылдамдығы кepi процесс кезіндегі диссоциацияланбаған молекулалардың концентрациясының өзгеру жылдамдығына тең болады

(8.2.1.3)

Егер -ның диссоциацияланбаған молекулалардың концентра­циясына пропорционал

(8.2.1.4)

-ның оң және тepic иондардың концентрацияларының көбейтіндісіне пропорционал

(8.2.1.5)

екенін және (8.2.1.4) теңдікті еске алсак,

(8.2.1.6)

Соңғы формуладан

(8.2.1.7)

диссоциациялану коэффициентінің ерітілген заттың концентра­циясына тәуелді екені көрініп тұр. Егер ерітілген заттың концентрациясы өте аз болса, болады. Ал болса, (8.12.1.7) формуладан

(8.2.1.8)