Автор работы: Пользователь скрыл имя, 16 Марта 2014 в 12:33, реферат
Целью данного реферата является ознакомление с термоэлектрическими явлениями, возникающими при определенных условиях в полупроводниках, рассмотрение их практического применения и знакомство с “праотцами” термоэлектричества.
По мере своего развития, человечеству для комфортной жизни нужны всё более и более совершенные технологии. Причем эти технологии связаны друг с другом. Так, скачок в одной сфере промышленной деятельности влечёт за собой некоторые проблемы, которые могут быть решены лишь при усовершенствовании другой сферы и так далее.
А.Ф. Иоффе выдвинул идею использования явления Пельтье для создания холодильных установок. Такой прибор есть ни что иное, как батарея из чередующихся полупроводников n– и p– типа. Спаи одного вида (соответствующие, например, переходу от n к p) введены в охлаждаемую область, а другие спаи (соответствующие переходу от p к n) выведены наружу. При надлежащем направлении тока внутренние спаи поглощают тепло, понижая температуру окружающего их пространства, а наружные спаи отдают тепло внешней среде.
Термоэлектрические полупроводниковые холодильники представляют собой твердотельные устройства, принцип работы которых основан на термоэлектрическом эффекте Пельтье, и которые используются для охлаждения в бытовых и/или промышленных условиях.
Из уравнения следует, что чем меньше сопротивление термоэлемента, тем больше теплоты отводится от холодного спая. Однако, увеличивая площадь сечения проводника или уменьшая длину ветвей термоэлемента мы, вероятно, не сможем достичь более низких температур в холодном спае, так как параллельно с этим будет происходить возрастание теплопроводности и потока тепла от горячего спая к холодному. Температура холодного спая будет понижаться до тех пор, пока тепло , выделяемое на горячем спае, не скомпенсирует посредством теплопроводности то тепло, которое отводится от холодного спая.
Условие теплового баланса:
Где K – полная теплопроводность термоэлемента
Отсюда (из )
Тогда из уравнений и
Находим
Таким образом, при наивысшем значении добротности Z получаем наиболее эффективный холодильник.
Термоэлектрические тепловые насосы представляют собой твердотельные устройства, принцип работы которых основан на термоэлектрическом эффекте Пельтье, и которые используются для обогрева в бытовых и/или промышленных условиях.
Использование термоэлемента как термоэлектрического нагревателя, как правило, сопряжено со значительным увеличением силы тока, относительно того, что протекает при использовании полупроводникового холодильника, а также сменой полярности подключения термоэлектрического прибора.
Термоэлектрический нагрев, имеющий место на горячем спае, складывается, в отличие от обычного резистивного нагрева, из двух составляющих:
Таким образом, на горячих спаях может выделяться большее количество тепла, чем было затрачено электрической энергии.
Следовательно, термоэлектрический нагрев намного эффективнее резистивного нагрева. Однако первый сопряжён с определёнными трудностями.
Полупроводниковый холодильник
Возможность охлаждения до температуры значительно ниже температуры окружающей среды вкупе с относительно малыми габаритами значительно увеличивают конкурентоспособность полупроводниковых холодильников по сравнению с компрессионными. Полупроводниковые холодильники особенно эффективны при охлаждении малых объёмов, в которые проблематично установить второй тип холодильников. Тем не менее, когда речь заходит об охлаждении больших объёмов (холодопроизводительности свыше 1кВт), использование полупроводниковых технологий становится экономически нецелесообразным. Лишь если предъявляются особые требования по надёжности, автономности, взрывобезопасности, отсутствию вибраций и бесшумной работы, то полупроводниковые холодильники с мощностью в десятки кВт могут быть оправданными.
Термоэлектрический холодильник
В настоящее время существуют следующие области применения полупроводниковых холодильников:
Следует отметить ряд недостатков полупроводниковых холодильников:
Полупроводниковый тепловой насос
В целом, использование полупроводникового термоэлектрического нагревателя невыгодно для отопления больших помещений.
Термоэлектрический нагреватель/холодильник
В настоящее время существуют следующие области применения полупроводниковых тепловых насосов:
Так как термоэлектрическая система реверсивна и регулируема, то она обеспечивает строго пропорциональный контроль над температурой. Кроме того, её габариты сравнительно невелики.
Термопара (термоэлектрическая пара, термоэлемент) – это датчик температуры, состоящий из двух сваренных (спаянных) разнородных по составу проводников тока, называемых термоэлектродами. Их спай, называемый главным (горячим), помещают, в среду измеряемой температуры. Два другие конца соединяют с проводами, идущими к измерительным приборам. Места соединения с проводами образуют побочные (холодные) спаи термопары.
Термопары могут соединяться в серии с другом друг, чтобы сформировать термоэлемент, где все горячие соединения подвергнуты более высокой температуре, а все холодные контакты – более низкой температуре. Поэтому, напряжения индивидуальных термопар складываются, что даёт большее напряжение.
Схема измерительной термопары
Иметь, соответственно, известную температуру холодного спая, пока полезно для лабораторных калибровок, однако просто не пригодно для наиболее непосредственно соединенных показывающих и контролирующих приборов. Они объединяют в своих цепях искусственный холодный контакт, использующий некоторое другое теплочувствительное устройство (как например термистор или диод), чтобы измерить температуру входных контактов прибора, специальное внимание уделяется тому, чтобы минимизировать любой градиент температуры между этим искусственным и естественным контактами. Отсюда, напряжение от известного холодного спая может быть просимулировано и использовано подходящее исправление. Это известно как компенсация холодного спая.
Дополнительно, компенсация холодного спая может выполняться программным обеспечением. Напряжения устройства могут переводиться в температуру двумя методами. Значения могут быть найдены по таблицам перекодировки или аппроксимированы, при помощи полиномов.
Типы термопар из неблагородных металлов и их особенности
Тип А (вольфраморениевый сплав ВР – вольфраморениевый сплав ВР)
Типы термопар из благородных металлов и их особенности
Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам–рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.
Тем не менее, термопары имеют погрешность порядка одного градуса, это связано с эффектом магнитного гистерезиса, а также с эффектом нагрева при торможении потока препятствием (самой термопарой).
Пример термопары, применяемой в промышленности
Много газовых нагревательных приборов, таких как печи и водонагреватели, требует использования запальника, чтобы зажечь главную газовую горелку. Если запальник погаснет, по какой–либо причине, то имеется возможность того, что негорючий газ, выпущенный вокружающее пространство создаст, таким образом, как опасность возгорания так и опасность для здоровья. Чтобы предотвратить такую опасность, некоторые приборы используют термопару как отказоустойчивый контроль, чтобы узнать, когда запальник загорится. Особенность заключается в том, что термопара размещена в пламени запальника. Результирующее напряжение, обычно лежит в пределах 20 mV и управляет газораспределительным клапаном, отвечающим за питание запальника. Пока пламя запальника остается греть, термопара остается горячей и удерживает газовый клапан запальника открытым. Если огонь запальника погас, температура будет падать наряду с соответствующим падением напряжения, удалив питание с клапана. Клапан закрывается, перекрывает газ и устраняет эти небезопасные условия.
Информация о работе Термоэлектрические явления в полупроводниках