Охолодження і нагрівання контакту двох напівпровідників електричним струмом /ознайомитися/

Обладнання: 1) термоелемент напівпровідниковий на підставці, 2) термометр електричний демонстраційний, 3) батарея акумуляторів напругою близько 4В, 4) реостат на 4 Ом, що витримує струм до 10А, 5) вимикач демонстраційний, 6) дроти сполучні.

Якщо через контакт двох напівпровідників з різною провідністю пропустити постійний електричний струм, то місце контакту охолодиться або нагріється залежно від направлення струму в ланцюзі. Це явище, назване термоелектричним ефектом, не пов'язане із звичайною тепловою дією струму і пояснюється зміною енергії електронів при проходженні їх через кордон двох напівпровідників.

Термоелектричний ефект можна показати за допомогою термоелемента, якщо через нього пропустити постійний електричний струм від зовнішнього джерела.

Для демонстрації досліду збирають установку, як показано на рис.18.

Рис.18 Установка і схема включення термоелемента для демонстрації охолодження контакту двох напівпровідників електричним струмом.

Термоелемент включають через реостат на 10А в ланцюг джерела постійного струму, наприклад В-24 або батареї акумуляторів, з’єднаних паралельно. Якщо ємність акумуляторів велика, то можна обійтися і одним акумулятором. Для демонстрації електричного охолодження позитивний полюс джерела струму з’єднують з напівпровідником, що має електронну провідність, а негативний полюс — з напівпровідником діркової провідності. Температуру холодного спаю термоелемента контролюють демонстраційним електричним термометром зі шкалою 0-40° С.

Оскільки напівпровідники володіють деяким опором, то вони нагріваються струмом, що заважає охолодженню і навіть може звести цей ефект до нуля. Максимальне охолодження, яке може дати термоелемент, виходить тільки при цілком певній величині протікаючого електричного струму, що залежить від конструктивних особливостей термоелемента. У нашому досліді слід пропускати струм 9-10А; тоді при температурі навколишнього повітря в 20°С температура холодного спаю знижується до 8° С.

Для отримання максимального перепаду температури на спаях термоелемента необхідно не лише охолоджувати гарячий спай, що відбувається природним способом за допомогою мідних пластин, але і теплоізолювати холодний. Це можна зробити за допомогою шматочка вати або пробки.

Після показу електричного охолодження змінюють направлення струму в ланцюзі. Холодний спай при цьому нагрівається.

Дослід дозволяє зробити висновок: якщо електричний струм йде від електронного напівпровідника до діркового, то спай охолоджується, при зворотному напрямі струму — нагрівається.

Рис.19 Схема руху електронів і дірок :

а — у разі охолодження контакту двох напівпровідників електричним струмом;

б -у випадку нагрівання контакту

Пояснити ці явища можна наступним чином. У напівпровідниках, з яких зроблений термоелемент, основні носії заряду (електрони і дірки) мають різну енергію, причому енергія вільних електронів електронного напівпровідника більше енергії зв'язаних електронів діркового напівпровідника. Тому, коли електричний струм йде від електронного напівпровідника до діркового, електрони, переходячи в електронний напівпровідник, збільшують свої енергії за рахунок внутрішньої енергії контакту напівпровідників. Це призводить до його охолодження. Іншими словами, електрони із зв'язаного стану переходять у вільний стан, в результаті чого утворюються пари електрон-дірка, які під дією зовнішнього електричного поля рухаються в протилежні сторони. На утворення пари електрон-дірка необхідна певна кількість енергії, яка запозичується із запасу енергії контакту напівпровідників.

При зворотному напрямі струму електрони і дірки рухаються один назустріч одному і в місці контакту рекомбінуються. Механізм цього процесу полягає в тому, що електрони з вільного стану переходять в зв'язаний і при цьому свою надмірну енергію віддають атомам діркового напівпровідника, що призводить до нагрівання місця контакту.

Термоелектричний спосіб охолодження отримав практичне застосування в різних охолоджувальних пристроях: мікрохолодильниках для наукових цілей, термостатах, термоелектричних гігрометрах та ін.