Перетворення теплової енергії в електричну

Конкретне перетворення теплової енергії в електричну можна виконати, використовуючи явища в контакті 2-ух металів або напівпровідників, де діють сторонні сили, якими обґрунтована дифузія заряджених частинок.

Величина контактної різниці потенціалів залежить не тільки від параметрів контактуючих матеріалів, та й від температури контакту, тому що з температурою пов`язані енергія вільних електронів і їх концентрація.

Розглядаючи замкнутий ланцюг з 2-ух різних металів (рис. 1а), можна переконатися в тому, що при однаковій температурі контактів 1 і 2 електричного струму в колі не вийде, тому що контактні різниці потенціалів, що визначаються формулою Uk = (A1 - A2): e0

Мал. 1

в обох контактах схожі, але орієнтовані в протилежні сторони по колу:

Uk1 - Uk2 = (A1 - A2) + (A2 - A1): e0 = 0

Якщо один з контактів, наприклад 1, підігріти (t1 > t2), То рівновага порушиться - в контакті 1 з`явиться додатковий стрибок потенціалу, пов`язаний з нагріванням. В даному випадку Uk1 > UK2. У ланцюзі з`являється термоелектрорушійна сила (термо-е. Д. Е.), Абсолютне значення якої пропорційно різниці температур контактів:

Eт = UKl - UK2 = E0 (t 1 t2),

де Е0 - величина, що залежить від параметрів металів, що утворюють контакт.

Таким чином, термо-е. д. з. з`являється в ланцюзі, що складається з різних металів, при різній температурі місць з`єднання.

Термо-е. д. з. в розглянутій ланцюга підтримується завдяки нагріванню спаяний 1, т. е. при незмінній витраті теплової енергії. У свою чергу термо-е. д. з. є передумовою електронного струму.

Але концентрація вільних електронів в металах велика і при переході з 1-го металу в інший змінюється дуже мало. У зв`язку з цим контактна різниця потенціалів виявляється незначною і не досить залежить від температури. З цієї причини залізні термоелементи мають дуже малі е. д. з. (В спае платини і заліза - 1,9 мВ при різниці температур гарячого і холодного спаїв 100 ° С), а к. П. Д. Їх не перевищує 0,5%. Такі термоелементи використовують для вимірювання температур (термопари).

Для цього в ланцюг термопари включається вимірювач термо-е. д. з. - мілівольтметр (рис. 1, 6). Термопара в даному випадку є джерелом електричної енергії, а вимірювальний прилад - приймачем.

Крім контакту 1 головних металів термопари між собою утворюються контакти їх з сполучними проводами (Рис. 1 - 2, 3). У цих контактах теж є контактні різниці потенціалів, але вони не змінюють термо-е. д. е., якщо їх температура підтримується схожою.

При наявності випадкового числа контактів різних металів сума контактних різниць потенціалів в замкнутому ланцюзі залишається рівною нулю, якщо всі контакти мають схожу температуру. У цьому можна переконатися, склавши рівняння, аналогічне вищенаведеним. Незалежно від числа контактів термо-е. д. з. пропорційна різниці температур більш нагрітого контакту і всіх інших контактів, які перебувають при однаковій температурі.

На відміну від металів в напівпровідниках при збільшенні температури дуже ростуть концентрації вільних електронів і дірок. Це властивість напівпровідників дозволяє отримати більш високі термо-е. д. з. (До 1 мВ на 1 ° С різниці температур) і к. П. Д. Термоелементів до 7%.

Напівпровідниковий термоелемент складається з 2-ух напівпровідників (п і р на рис. 2). Один з них має електричну, а інший дірковий електропровідність. При нагріванні напівпровідників в місці з`єднання їх залізної платівкою дуже зростає концентрація вільних носіїв заряду. Тому в напівпровідниках з`являється дифузія їх від жаркого кінця до холодного. У напівпровідниках з електричною електропровідністю до прохолодного кінця пересуваються електрони, в результаті чого цей кінець заряджається негативно. В іншому полупроводнике до прохолодного кінця пересуваються дірки, утворюючи позитивний заряд. Розгромна замовна стаття різниця потенціалів протидіє дифузії і при деякому значенні її встановлюється рівновага сил електричного поля і сторонніх сил, під дією яких відбувається процес дифузії носіїв заряду. Ця різниця потенціалів і є термо-е. д. з. напівпровідникового термоелемента.

Якщо до прохолодним кінців напівпровідників підключити струмопровідний елемент, наприклад резистор, то з`являється замкнута ланцюг і електричний струм в ній.