Перетворення теплової енергії на електричну
Безпосереднє перетворення теплової енергії на електричну можна здійснити, використовуючи явища в контакті двох металів або напівпровідників, де діють сторонні сили, якими зумовлена дифузія заряджених частинок.
Принцип перетворення теплової енергії на електричну.
Величина контактної різниці потенціалів залежить як від властивостей контактуючих матеріалів, а й від температури контакту, оскільки з температурою пов'язані енергія вільних електронів та його концентрація.
Розглядаючи замкнутий ланцюг із двох різних металів (рис. 1а), можна переконатися в тому, що при однаковій температурі контактів 1 і 2 електричний струм у ланцюзі не вийде, оскільки контактні різниці потенціалів, що визначаються формулою
в обох контактах однакові, але спрямовані в протилежні сторони ланцюга:
Якщо один із контактів, наприклад 1, нагріти (t1 & gt; t2), то рівновага порушиться - в контакті 1 з'явиться додатковий стрибок потенціалу, пов'язаний з нагріванням. В цьому випадку Uk1 > UK2. У ланцюзі утворюється термоелектрорушійна сила (термо-е. д. с.), абсолютне значення якої пропорційно різниці температур контактів:
де Е0 - величина, яка залежить від властивостей металів, що утворюють контакт.
Малюнок 1 . а) замкнутий ланцюг з двох різних металів; б) ланцюг з вимірювачем термо-е. д. с.
Таким чином, термо-е. д. с. виникає в ланцюзі, що складається з різних металів, за різної температури місць з'єднання.
Термо-е. д. с. в аналізованому ланцюзі підтримується завдяки нагріванню спаю 1, тобто при постійній витраті теплової енергії. У свою чергу термо-е. д. с. є причиною електричного струму.
Однак концентрація вільних електронів у металах велика і при переході з одного металу до іншого змінюється дуже мало. У зв'язку з цим контактна різниця потенціалів виявляється незначною і мало залежить від температури. З цієї причини металеві термоелементи мають дуже малі е. д. с. (У спаї 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 застосовують для вимірювання температур (термопари).
Для цього ланцюг термопари включається вимірювач термо-е. д. с. - Мілівольтметр (рис. 1, 6). Термопара у разі є джерелом електричної енергії, а вимірювальний прилад — приймачем.
Крім контакту 1 основних металів термопари між собою утворюються їх контакти з сполучними проводами (Рис. 1 - 2, 3). У цих контактах також є контактні різниці потенціалів, але вони не змінюють термо-е. д. с., якщо їх температура підтримується однаковою.
За наявності довільного числа контактів різних металів сума контактних різниць потенціалів у замкнутому ланцюзі залишається рівною нулю, якщо всі контакти мають однакову температуру. У цьому можна переконатися, склавши рівняння, аналогічне наведеному вище. Незалежно від кількості контактів, термо-е. д. с. пропорційна різниці температур більш нагрітого контакту та всіх інших контактів, що знаходяться при однаковій температурі.
Малюнок 2. n, p-напівпровідники.
На відміну від металів, у напівпровідниках зі збільшенням температури сильно збільшуються концентрації вільних електронів і дірок. Ця властивість напівпровідників дозволяє отримати більш високі термое. д. с. (До 1 мВ на 1 ° С різниці температур) і к. п. д. термоелементів до 7%.
Напівпровідниковий термоелементскладається з двох напівпровідників (п і р на рис. 2). Один із них має електронну, а інший дірочну електропровідність. При нагріванні напівпровідників у місці їх з'єднання металевою пластинкою сильно збільшується концентрація вільних носіїв заряду. Тому в напівпровідниках виникає їхня дифузія від гарячого кінця до холодного. У напівпровіднику з електронною електропровідністю до холодного кінця переміщуються електрони, у результаті цей кінець заряджається негативно. В іншому напівпровіднику до холодного кінця переміщаються дірки, утворюючи позитивний заряд. Різниця потенціалів, що виникла, протидіє дифузії, і при деякому значенні її встановлюється рівновага сил електричного поля і сторонніх сил, під дією яких йде процес дифузії носіїв заряду. Ця різниця потенціалів і є термо-е. д. с. напівпровідниковий термоелемент.
Якщо до холодних кінців напівпровідників підключити струмопровідний елемент, наприклад, резистор, то утвориться замкнутий ланцюг та електричний струм у ньому.