Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как образуется тепловой ток

Краткие теоретические сведения

Контакт металл-полупроводник, как и р-n переход, относится к наиболее распространенным в электронике типам контактов. Чаще всего это обычный, омический контакт, сопротивление которого невелико и не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Однако некоторые металлы и полупроводники образуют так называемые контакты Шотки, обладающие, как и р-n переход, односторонней проводимостью. Такие контакты используются в диодах Шотки и некоторых типах транзисторов.

Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода[1] контактирующего металла qjм и полупроводника qjп. Если, например, qjм qjп в m-n переходе образуется обедненный слой, а в m-p – обогащенный. Поэтому в этом случае m-n переход – выпрямляющий (Шотки), а m-p – омический.

Рис.2. Металло-полупроводниковые переходы при qjм > qjп

В реальном металло-полупроводниковом переходе обычно существует еще один слой зарядов – на поверхности полупроводника (поверхностный заряд). Он возникает из-за дефектов кристаллической решетки полупроводника в его поверхностном слое и из-за захвата поверхностью посторонних акцепторных и донорных примесей. Поверхностный заряд может сильно влиять на электрические характеристики перехода, вплоть до изменения самого характера контакта (омический или Шотки). Поэтому диоды Шотки получили распространение намного позже р-n диодов, когда была создана технология, обеспечивающая высококачественный контакт металла с предельно чистой и бездефектной поверхностью полупроводника. Только у таких переходов контактная разность потенциалов jк0 близка к идеализированному значению

В настоящей работе металло-полупроводниковый переход полагается идеальным, описывающимся уравнением (1).

Если контакт омический, т.е. предназначен для подключения к полупроводниковой области, его наиболее важным параметром является сопротивление R. У такого контакта сопротивление практически не зависит от сопротивления m-области и обогащенного слоя. Поэтому R омического контакта определяется размерами и параметрами нейтральной части полупроводника:

где L и S – толщина и площадь поперечного сечения нейтрального слоя, m и N – коэффициент подвижности и концентрация примеси в полупроводниковой области.

В случае контакта Шотки, когда используются его нелинейные свойства, важнейшими параметрами являются:

1. Контактная разность потенциалов в отсутствие внешнего напряжения jк0, (1). Её величина примерно соответствует значению прямого напряжения Uпр, при котором собственное поле перехода и обедненный слой практически исчезают и возникает большой прямой ток. Uпр определяет тепловые потери Pрасс = Uпр × Iпр и к.п.д. выпрямителей с диодами Шотки. По этим параметрам они значительно превосходят кремниевые р-n диоды.

2. Тепловой ток I, определяющий масштаб идеализированной ВАХ:

I = S×A×T 2 ×e — j k0 / j T , (4)

где А – константа, зависящая от типа полупроводника, Т – абсолютная температура, jT = kT/q – термический потенциал.

3. Толщина перехода L, от которой зависит напряженность поля в переходе E @ U/L и поэтому – напряжение пробоя. Так как концентрация подвижных носителей в металле и полупроводнике высокая, толщина перехода определяется практически только толщиной обедненного слоя. В отсутствие внешнего напряжения толщина идеализированного контакта Шотки определяется аналогичным для р-n перехода выражением:

(5)

Процессы в контакте Шотки и в р-n переходе обнаруживают значительное сходство (наличие собственного электрического поля и обедненного слоя, вид идеализированной ВАХ и другое). Имеются, однако, существенные отличия, определяющие важные преимущества диодов Шотки:

– в открытом контакте Шотки не происходит образования диффузионного заряда неосновных носителей, как в р-n переходе. Поэтому у диодов Шотки нет диффузионной емкости, их частотные и импульсные свойства потенциально много лучше;

– в диодах Шотки можно получить значительно меньшие напряжения открытого состояния по сравнению с кремниевыми р-п диодами. Поэтому тепловые потери в диодах Шотки значительно меньше.

Понятие электрического тока

Время на чтение:

В основе строения всех веществ в природе, лежат молекулы, состоящие из мельчайших частиц – атомов, составными элементами которых являются ядра с вращающимися вокруг них электронами. В процессе химических реакций между атомами происходит обмен электронами, и металлы здесь не исключение.

Читайте так же:
Тепловое действие тока кратко конспект

В результате, у одного вещества наблюдается их недостаток, у другого – избыточное количество, и это говорит о разноименных зарядах. При контакте таких субстанций основная работа электронов заключается в переходе от одного вещества к другому. Это движение лежит в основе определения, что представляет собой явление электрического тока.

Электрический ток

Что называют электрическим током?

Определение тока сводится к явлению упорядоченного движения частиц, несущих на себе определённый заряд. Электричество – это организованное перемещение заряженных частиц, которое появляется под влиянием электрического поля. Если вещество – проводник, то такими частицами являются электроны, у электролитов – это положительно и отрицательно заряженные частицы (катионы и анионы), у полупроводников – это «дырки». Последние представляют собой квазичастицы, несущие положительный заряд, который равен элементарному, характерному для проводников.

Направление частиц

Важно! В природе также существует ток смещения, действие которого обусловлено изменением разности потенциалов. Он носит переменный характер, действует из-за электрополяризации частиц среды, без смещения заряда за их границы.

Для возникновения электричества в цепи обязательно соблюдение главного условия – наличия замкнутого контура. Если цепь имеет разрыв, то перемещение частиц невозможно. Для обеспечения их перемещения используют:

  • Увеличение температуры проводника;
  • Влияние разности потенциалов на переносчиков заряда;
  • Реакции химической природы, результатом которых является образование нового вещества;
  • Влияние сил магнитного поля на проводник.

Ток смещения

Результатом работы движущихся заряженных частиц являются:

  • Свет в люминесцентных приборах (излучение света);
  • Выделение тепловой энергии (нагревательные элементы);
  • Механическая работа (при эксплуатации электро двигателей и других подобных приборов);
  • Излучения электромагнитной природы.

Световое излучение в лампе накаливания

Эл. ток характеризуется силой и плотностью. Сила – величина, которую можно численно измерить. Она приравнивается к отношению самого заряда к временному периоду, за который он преодолевает поперечное сечение проводимого вещества. Плотность вычисляют путем деления силы на площадь упомянутого выше сечения.

Характер перемещения частиц может быть переменным и постоянным. У постоянного тока характеристики не изменяются с течением времени, а для переменного данное условие не актуально.

Важно! Существует ток проводимости и смещения. Первый вызван движением отрицательно заряженных частиц в металлах по отношению к ионной решетке. Второй возникает из-за движения электронов по границе проводника и вещества, не проводящего электричество (диэлектрика).

Что является носителем электрического тока?

Опытным путем доказано, что является главным носителем электрического тока. Электроны способны беспрепятственно двигаться в веществах, которые называются проводниками. Такая способность обеспечивается за счет отщепления электронов, движущихся по внешним орбитам от атомов вещества.

Движение в проводнике

В полупроводниках также возможно движение электричества, но с определенными затруднениями. Движение заряженных частиц в полупроводниках зависит от внешних факторов (давления, облучения и др.)

Не проводят ток диэлектрики, так как в них число свободных электронов минимально. Обозначить четкие границы между тремя указанными группами невозможно. В электротехнических приборах проводники обеспечивают движение зарядов, диэлектрики – задают нужное направление.

Возникновение электричества обусловлено влиянием на заряженные частицы сил из вне, имеющих не электростатическое происхождение (сторонние силы). Они обеспечивают в проводимом веществе наличие электрического поля, которое вынуждает положительно заряженные элементы двигаться согласно направлению сил данного поля. В этом случае, электроны, несущие отрицательный заряд, перемещаются в обратном направлении.

Диэлектрики

Важно! В металлах электроны движутся поступательно. Отрицательные частицы пребывают в состоянии хаотичного движения в межатомном пространстве. Повышение температуры вещества связано со столкновением молекул между собой и их взаимодействием с электронами. При встрече отрицательной частицы с молекулой, она меняет направление движения, медленно перемещаясь вперед по сложной траектории. Перемещение в течение длительного промежутка времени в заданном направлении с хаотическим движением частиц, называется дрейфом. Электричество в металлах и есть такой дрейф частиц.

Читайте так же:
Применение теплового действия электрического тока в жизни

Из чего состоит ток (свойства)?

Движение заряженных частиц по цепи обуславливает проявление следующих электрических свойств:

  • Тепловых. При движении заряженных частиц по проводнику (полупроводнику), его температура повышается. Данное явление лежит в основе работы нагревательных приборов (плиты, обогреватели, чайники и др.). Количество образовавшейся тепловой энергии зависит от напряжения на данном участке цепи, времени протекания самого тока и подчиняется закону Джоуля-Ленца.
  • Химических. Электролиты, имеющие в своем составе положительные ионы, проходят через процесс электролиза. Он представляет собой процесс окислительно-восстановительного характера, происходящего на электродах в процессе движения заряженных частиц сквозь раствор или расплав. К положительно заряженному аноду, в результате электролиза, присоединяются анионы с отрицательным зарядом, к отрицательному катоду притягивается положительный катион. Таким образом, вещества, которые присутствуют в электролите после электролиза выделяются на электродах источника электричества.

Электролиз

  • Магнитных. При прохождении заряда сквозь проводник, вокруг него возникает пространство магнитного характера. Проводник характеризуется магнитными свойствами. Если вблизи от него находится, например, стрелка компаса, она примет положение перпендикулярное проводящему предмету. Первым ученым, наблюдавшим магнитные свойства, стал Эрстед в 1820 году, а цифровые закономерности этого процесса установил Ампер.

Магнитное поле проводника

  • Световых. Ярким примером проявления подобных свойств является лампа накаливания. Ее нагревательный элемент в виде спирали, в результате прохождения по ней тока, нагревается и начинает светиться белым светом. На долю световой энергии приходится 5% от общего количества электроэнергии, остальная превращается в тепло.
  • Механических. Любой проводник, после прохождения по нему заряженных частиц, отмечается наличием вокруг себя магнитного поля. Магнитные действия преобразовываются в движения. Явление нашло применение в реле, электродвигателях, магнитных подъемниках и других устройствах. Механические свойства объясняются законом Ампера, который был сформулирован еще в 1820 году.

Важно! Исходя из выше изложенной информации, можно сделать вывод, что ток может обеспечивать различного рода воздействия, которые проявляют себя как по отдельности, так и в комбинациях.

Как направлено электричество (движение)

Движение тока может осуществляться двумя путями. Направление перемещения заряженных частиц связывают с движением электронов, имеющих положительный заряд. Когда ток возникает благодаря отрицательным электронам, тогда направление принимают противоположным их движению. Это характерно для проводников из металла. Но ток может возникать и в жидкости, и газе, в которых частицы свободно передвигаются по любой траектории из-за отсутствия прочной связи между ними. В этом случае носителям тока будут положительные ионы и отрицательные электроны, а электрический ток идет от «плюса» к «минусу».

Виды электрического тока

Различают две разновидности тока: постоянный ток и переменный.

Постоянный

Для него характерно неизменное направление движения заряженных частиц. Примером служат сухие батарейки, аккумуляторы небольшой емкости, солнечные батареи и др. Используется в процессе дуговых сварочных работ, при организации движения на электрифицированных железнодорожных полотнах, электролизе алюминия и др. Формируется при помощи специальных генераторов. За его направление принимают движение частиц от «плюса» к «минусу».

Двигатель постоянного тока

Переменный

В данном случае он способен менять свои характеристики: величину и направление движения. Количество изменений за единицу времени называют частотой, измеряющуюся герцами. Его используют на строительных площадках и для промышленных целей (шлифовальное оборудование, электрические дрели и др.)

Какое количество электричества

Количество тока (величина электрического заряда) вычисляют путем умножения силы тока на время его течения. За единицу измерения принимают Ампер. Если сила носит непостоянных характер и изменяется во времени, численная величина заряда представляет собой функцию зависимости от времени.

Читайте так же:
Расчет тепловыделения от тока

Где применяется электрический ток

Сегодня нет ни одной области, где бы не применялся эл. ток в различных его проявлениях. В основном, широко используется именно переменный ток: электроснабжение, железнодорожное сообщение, освещение, различное сетевое оборудование и др. Постоянный ток применяют в электролизе, сварочных работах, бортовых системах автомобилей, медицине.

Ученые на протяжение нескольких столетий пытались найти ответ на вопрос, почему и как возникает электрический ток. Сегодня жизнь современного общества невозможно представить без него. Залогом успешного применения электричества станет соблюдение основных правил безопасности, связанных с его использованием, так как электричество вместе с пользой, способно нанести вред человеку и его здоровью.

Теплообмен

Теплота может передаваться посредством теплопроводности, конвекции или излучения.

Второе начало термодинамики гласит, что теплота всегда передается от более горячего тела более холодному, однако о механизме теплопередачи там не говорится ни слова. Однако характер переноса теплоты крайне важен с инженерно-физической точки зрения, и не удивительно, что механизмы теплообмена стали важным предметом исследований в первой половине девятнадцатого столетия. Как уже упомянуто в аннотации, было открыто три способа теплообмена, и за каждым из них стоит уникальный физический процесс.

Теплопроводность

Положите загнутой конец железной кочерги в горящий камин — и уже через пару минут вы не сможете притронуться к ее свободному концу, хотя он находится на значительном удалении от пламени. А происходит это в результате того, что любой металл обладает высокой теплопроводностью, и жар огня от разогретого конца кочерги очень быстро распространяется по всей ее длине.

А обусловлена высокая теплопроводность металла следующим: атомы металла организованы в трехмерную кристаллическую решетку и постоянно вибрируют около своего среднестатистического положения. Атомы погруженного в огонь конца кочерги под воздействием соударения с быстро движущимися молекулами углей и раскаленного газового пламени быстро разогреваются и начинают вибрировать значительно интенсивнее. Очень скоро температура прогреваемого конца кочерги практически сравнивается с температурой пламени, о чем можно судить по тому, что металл разогревается докрасна.

Одновременно сами термически возбужденные атомы, соударяясь с соседними атомами, передают последним энергию теплового движения, и те, в свою очередь, также очень быстро разогреваются до температуры, близкой к температуре горения. При этом, отдав свою тепловую энергию соседям, атомы погруженного в пламя конца кочерги практически тут же компенсируют ее за счет непрерывного поступления тепловой энергии, выделяющейся при горении.

Таким образом, посредством цепочки межатомных взаимодействий теплота быстро распространяется вверх по ручке кочерги, постоянно пополняясь за счет энергии сгорания дров, пока не достигнет рукояти, которую вы держите в ладони, и тогда вы, почувствовав, как она нагрелась, вынуждены будете выпустить кочергу во избежание ожога.

Таким образом, теплопроводность представляет собой механизм теплового обмена посредством соударения между отдельными атомами или молекулами теплопроводящего вещества. То есть, тепловое движение распространяется по веществу, однако сами атомы или молекулы остаются жестко закрепленными внутри его структуры, и переноса вещества, как такового, мы не наблюдаем.

Уравнение, описывающее механизм теплопроводности, выглядит следующим образом:

Q = A × Δ T /R

где Q — количество передаваемой тепловой энергии, А — площадь сечения теплопроводящего тела, Δ T — разность температур между двумя точками, а R — тепловое сопротивление материала, характеризующее, насколько он тормозит теплопередачу. В вышеприведенном примере с кочергой, одним концом опущенной в камин, Δ T равняется разнице между температурой пламени на одном конце и комнатной температурой воздуха на другом, А — площади сечения железного прута, из которого сделана кочерга, а R определяется свойствами металла. В целом же, приведенная формула подсказывает, что чем больше разность температур и чем больше площадь поперечного сечения, тем большее количество теплоты будет передаваться. В то же время, при фиксированных значениях разности температур и площади поперечного сечения количество передаваемой теплоты будет обратно пропорционально тепловому сопротивлению, то есть, чем оно выше, тем медленнее будет нагреваться рукоять. Поэтому материалы с высокими значениями R (например, асбест, стекловолокно или пух) являются хорошими теплоизоляторами.

Читайте так же:
Что такое ток уставки теплового реле

Конвекция

Теперь представьте себе кастрюлю с водой на плите. Сначала вода ведет себя неподвижно, и теплота от нижних слоев к верхним передается посредством теплопроводности. По мере нагревания, однако, характер теплопередачи меняется, поскольку запускается процесс, который принято называть конвекцией.

Нагреваясь вблизи дна, вода расширяется. Соответственно, удельный вес придонной разогретой воды оказывается легче, чем вес равного объема воды в поверхностных слоях. Это приводит всю водную систему внутри кастрюли в нестабильное состояние, которое компенсируется за счет того, что горячая вода начинает всплывать к поверхности, а на ее место опускается более прохладная вода.

Однако процесс этот одним актом не ограничивается, поскольку, обменявшись местами, горячая и прохладная вода очень скоро обмениваются и ролями, в силу того, что опустившая ко дну вода быстро разогревается и расширяется, а всплывшая горячая — быстро остывает и уплотняется за счет излучения (см. ниже). В результате ситуация нестабильности повторяется и слои воды снова меняются местами.

Нетрудно увидеть, что такая ситуация, по сути, приводит к постоянной нестабильности воды в кастрюле, и начинается непрерывная циркуляция водной массы: разогретая вода со дна всплывает, вытесняя ко дну остывающую воду с поверхности. В результате мы наблюдаем циркулярные потоки, которые принято называть конвекционными токами (см. рисунок). Присмотритесь внимательно к поверхности воды в кастрюле при ее закипании — и вы увидите конвекцию в действии: прозрачные области — это вода, поднимающаяся со дна, а пузыристые — это места, откуда вода только что пошла ко дну, оставив на поверхности накипь.

Конвекционные токи — весьма распространенный в природе способ теплообмена. Конвекция происходит в недрах Солнца, в слое между ядром и короной, именно она доставляет к поверхности светила тепловую энергию, вырабатываемую в ходе реакции термоядерного синтеза (см. Эволюция звезд). Непрерывная конвекция происходит в земной мантии, в результате чего мы наблюдаем движение тектонических плит. Конвекционные атмосферные потоки определяющим образом сказываются на климате нашей планеты, перенося тепло из экваториальных широт в приполярные вместе с воздушными и океаническими массами. Даже на уровне отдельно взятого крупного города конвекция приводит к значительным перемещениям атмосферных слоев: перегретый асфальт в центре города в этом случае играет роль конфорки под днищем кастрюли, если вернуться к исходному примеру. Фактически, благодаря конвекции в городах устанавливается особый микроклимат.

Обобщая, подчеркнем, что конвекция, по сути, представляет собой теплообмен посредством переноса вещества. Накопив теплоту в одном месте, вещество-носитель переносит его в более холодное и там отдает окружающей среде. В этом коренное отличие конвекции от теплопроводности, когда вещество-проводник тепла само остается на месте.

Излучение

В отличие от двух предыдущих видов теплообмена при лучевом переносе тепла вещество — будь оно в твердом, жидком или газообразном состоянии — не задействовано вовсе. В этом случае теплообмен осуществляется в силу того, что любая материя, имеющая температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию в окружающую среду (см. Закон Стефана—Больцмана). Тип излучения зависит от температуры тела. Это нетрудно понять на повседневном опыте: металл в кузнице сначала раскаляется докрасна, потом до желто-оранжевого цвета и, наконец, практически добела. Это свидетельствует о повышении температуры вещества, потому что, чем выше температура, тем короче длина излучаемых волн. Относительно холодные тела излучают в инфракрасном диапазоне волн, и мы их излучения не видим, а только осязаем, как тепловое. Самые горячие тела испускают также невидимое излучение в микроволновом диапазоне.

Читайте так же:
Порвал провод теплого пола

Возможно, самым знаменитым примером открытия невидимого излучения стало открытие реликтового микроволнового фона космического излучения, ставшее одним из основных подтверждений правильности гипотезы Большого взрыва. По сути, этот фон излучается всей Вселенной в ее совокупности, поскольку она расширяется и постепенно остывает, теряя свою изначально колоссальную среднюю температуру.

Как тепло превращается в электричество без турбин: термопара против пара

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа», — поясняет Арунава Майумдар из Калифорнийского университета в Беркли.

Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС). Попросту говоря, на противоположных концах проводников возникает напряжение, а если их замкнуть, в цепи начнет течь электрический ток. Именно на этом принципе работает термопара — нехитрый прибор, применяемый для измерений температуры. Простейшая термопара состоит из двух стержней разного металла, спаянных на одном конце. По изменению напряжения на противоположных концах стержней можно судить об изменении температуры в точке их соединения.

Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во-первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector