Курсовая работа: Электрический ток в неметаллах

Термоэлектрические явления и их применение

Явление Зеебека

Температура — один из важнейших контролируемых параметров технологических процессов практически во всех отраслях народного хозяйства. Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека.

В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Т. Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рис. 1), образующих часть одной и той же цепи.

рис. 1.

Термо ЭДС термопары обусловлена тремя причинами . Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой в спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличии градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фотонов — квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фотоны сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термо ЭДС термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару.

Явление Пельте

Эффект Пельте обратен явлению Зеебека.

При протекании тока в цепи из различных проводников, в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество теплоты Q, пропорциональное протекающему через контакт количеству электричества (то есть силе тока I и времени t ): Q=П/t. Коэффициент П зависит от природы находящихся в контакте материалов и температуры (коэффициент Пельте).

Явление Томсона

Эффект Томсона, один из термоэлектрических явлений. Он состоит в том, что если вдоль проводника, по которому проходит электрический ток, существует перепад температур, то в дополнение к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля-Ленца, в объёме проводника выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) дополнительное количество теплоты Q (теплота Томсона), пропорциональная силе тока I , времени t , перепаду температур (T₂ —T₁ ): Q= t (T₂ —T₁ ) lt . Открыт У. Томсоном (лордом Кельвином) в 1856. Коэффициент Томсона t зависит от природы материала.

Эмиссионные явления, их применение

Термоэлектрическая эмиссия

Вакуум является хорошим диэлектриком, так как в нем нет свободных носителей зарядов. Чтобы через вакуум прошел ток в него нужно внести свободную заряженную частицу. Это можно сделать с помощью термоэлектронной эмисии.

Рассмотрим это явление на примере лампы. В лампу впаивается металлический проводник по нему пропускается электрический ток, проводник нагревается и из него вылетают электроны. Происходит и обратный процесс – электроны возвращаются в проводник – процесс рекомбинации.

Если в лампу впаять анод, то электроны начнут двигаться к аноду, в лампе пойдет ток.

Вывод: ток в вакууме представляет собой направленное движение заряженных частиц (электронов).

Работа лампы диода основана на управлении движения электронами.

Лампа диод состоит из :

Катод

Анод.

При подачи на анод положительного заряда по лампе пойдет ток. Если увеличить напряжение на аноде, ток увеличится, так как увеличится количество электронов движущихся в сторону катода и увеличивается скорость движения электронов.

Но ток увеличивается не до бесконечности, начиная с некоторого напряжения U сколько бы не увеличивать напряжение на аноде, величина тока в лампе остается постоянным, возникает ток насыщения. Это объясняется тем, что при данных условиях катод (+) выделяет примерно одинаковое количество электронов, и все они движутся к аноду (-).

Ток насыщения можно увеличить несколькими способами:

Увеличить температуру подогревателя (сгорит подогрев).

Покрывают катод оксидом Ba или Sr, эти вещества легко выделяют электроны.

Лампа диод обладает односторонней проводимостью (когда на анод подают положительный заряд) поэтому лампу диод применяют в качестве выпрямителя.