Использование принципа полупроводникового теплового насоса. 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Использование принципа полупроводникового теплового насоса.



В термоэлектрической батарее при прохождении через нее постоян-ного тока происходит охлаждение одних и нагрев других спаев из-за поглощения и выделения теплоты на соответствующих спаях в связи с эффектом Пельтье. Во-первых, это явление оказывается удобным для использования в термостатах: простое изменение направления тока позволяет либо охлаждать, либо нагревать спаи элементов, находящихся внутри термостата.

Во-вторых, в отличие от прямого подогрева джоулевым теплом электрическая энергия в термостате служит средством переноса тепловой энергии от холодного к горячим спаям. Таким образом, на горячих спаях может выделяться большее количество тепла, чем было затрачено электрической энергии. Так, при разности температур Тгор –Тхол = 10 К на каждый ватт выделяемого на горячих спаях тепла необходимо затратить не более 0,2 Вт электрической энергии, при разности температур 20 К – 0,2 Вт, а при разности температур 30 К – 0,5 Вт. Таким образом, принцип теплового насоса может оказаться экономически целесообразным для обогрева и охлаждения жилых и производственных помещений. Но это возможно только при небольшой стоимости термоэлементов, когда выигрыш в расходе энергии компенсирует повышенную стоимость термоэлектрического обогревателя по сравнению с обычным электрическим нагревательным устройством.

Вопросы для повторения:

1. По каким причинам в полупроводниковых термоэлементах может возникать термо–ЭДС?

2. Что необходимо для получения максимального КПД термоэлект-рического генератора?

3. Каков принцип действия полупроводниковых холодильников?

4. Как можно использовать эффект Пельтье для подогрева? По чему этот эффект не используется для обогрева жилых и производственных поме-щений?

5. Расскажите об устройстве и принципах работы термоэлемента.

6. Для чего можно применить принцип полупроводникового теплового насоса?

7. Расскажите об эффекте Зеебека.

8. Расскажите об эффекте Томсона.

9. Расскажите об эффекте Пельтье.

10. Для чего используются термопары и термобатареи, изготавливаемые из пар разных металлов?

Резюме:

В процессе изучения данной темы мы ознакомились с термоэлектрическими явлениями и некоторыми аспектами их практического применения.

 

Тема 12. Электрический ток в газах и вакууме.

Цели и задачи изучения темы:

Целью изучения данной темы является ознакомление со свойства-ми газовых разрядов и электронных пучков и особенностями протека-ния электрического тока в газах и вакууме.

12.1. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.

Ионизация газа.

Газы при нормальных условиях (в отсутствие ионизатора) являются изоляторами и становятся проводниками электрического тока лишь при внешнем воздействии. Электрическую проводимость газа можно изменить облучая его ультрафиолетовым, рентгеновским или радиоактивным излуче-нием, нагревая его и т.д.

При нормальных условиях газы в отличие от металлов и электролитов не содержат свободных носителей тока, т.е. электронов и ионов, так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. На рис. 12.1.1 приведен пример ионизации газа высокой температурой (Б – батарея, С – конденсатор с воздушным зазором, Г – гальванометр).

В результате внешних воздействий происходит ионизация газа, т. е. отрыв электронов от атомов и молекул. При ионизации возникают положительные ионы и электроны. Какой-либо нейтральный атом или молекула газа могут присоединить к себе электрон, тогда возникнут и отрицательные ионы. При ионизации атома или молекулы газа должна быть совершена работа ионизации, которая определяется силой взаимодействия между отрываемым электроном и образующимся при этом ионом. Значение этой работы зависит от химической природы газа. Если атом или молекула потеряют два электрона, то они становятся двукратно ионизированными и превращаются в двухвалентный ион.

Наряду с процессом ионизации в газе протекает процесс рекомбинации — превращения ионов в нейтральные атомы или молекулы. Если внешний ионизатор перестает действовать, то проводимость газа уменьшается, и газ перестает быть проводником. При неизменной во времени мощности ионизатора между процессом ионизации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие, при котором число вновь образующихся пар заряженных частиц равно в среднем числу пар ионов, исчезающих вследствие рекомбинации.

12.1.2. Несамостоятельный разряд.

Процесс протекания тока через газ называют газовым разрядом. Ток в газе, возникающий при наличии внешнего ионизатора, называется несамо-стоятельным газовым разрядом. Выясним закономерности этого процесса. Предположим, что на воздушный промежуток между обкладками конден-сатора (рис. 12.1.2,а ) воздействует ультрафиолетовое излучение. Если с помощью потенциометра плавно увеличивать напряжение между обкладками конденсатора, то сила тока I будет увеличиваться пропорцио-нально напряжению и до некоторого значения I н называемого током насыщения (рис. 12.1.2,б). Дальнейшее увеличение напряжения от UH до U3 не изменяет силы тока.

При ионизации в зазоре конденсатора образуются противоположно заряженные частицы. Если напряжение между обкладками конденсатора равно нулю, ток тоже равен нулю (точка 0 на рис. 12.1.2,б), поскольку образующиеся носители тока движутся хаотически. По мере увеличения напряжения между обкладками конденсатора в направленное движение вовлекается все большее число ионов и электронов. При напряжении UH, при котором все образовавшиеся в зазоре заряды достигают обкладок конденсатора, сила тока увеличивается до максимального значения при данной интенсивности ионизации. Увеличение напряжения (до значения Uз )силы тока изменить не может. Если ионизатор прекратит действие, то прекратится и разряд, так как;других источников ионов нет. Поэтому разряд называют несамостоятельным.

Самостоятельный разряд.

При дальнейшем повышении напряжения от U3 и выше) сила тока резко возрастает. Если убрать внешний ионизатор, разряд будет продолжаться. Это говорит о том, что ионы, необходимые для поддержания электрической проводимости газа, теперь создаются самим разрядом. Газовый разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным газовым разрядом.

Напряжение U3, при котором возникает самостоятельный разряд, называют напряжением зажигания газового разряда или напря жением пробоя.

Самостоятельный газовый разряд поддерживается за счет ударной ионизации электронами, ускоряемыми электрическим полем. Электроны под действием поля Е движутся ускоренно, их кинетическая энергия возрастает за счет работы сил электрического поля:

(12.1.1)

Здесь V– скорость электрона, длина его свободного пробега, т. е. путь, проходимый электроном между двумя последовательными соударениями.

Если кинетическая энергия электрона станет равной или превысит энергию ионизации атома, то при их соударении атом может ионизироваться. В результате ионизации возникают еще один электрон иположительный ион. Это произойдет при

(12.1.2)

Первый электрон при соударении теряет энергию, расходуя ее на иони-зацию атома. Однако при достаточной напряженности электрического поля оба электрона первый и вновь образовавшийся вновь набирают на длине свободного пробега энергию, необходимую для ионизации ионов. При следую-щем соударении происходит ионизация уже двух атомов и число электронов возрастет до четырех, после третьей ионизации электронов становится восемь, после четвертой шестнадцать (рис. 12.1.3): происходит образование элект-ронных и ионных «лавин» (положи-тельные ионы, образующиеся при ударной ионизации, на рисунке не изображены).

Для того чтобы разряд был самостоятельным, образование только электронных и ионных лавин является необходимым, но не достаточным условием. Необходимо также, чтобы при выключенном внешнем ионизаторе в газе протекал процесс воспроизведения новых электронов взамен тех, которые ушли на анод.Эти электроны появляются из катода при бомбардировке катода фотонами и положительными ионами, движущимися к катоду под действием электрического поля. При соударении с катодом ион может выбить с его поверхности электроны. Явление выбивания электрона с поверхности катода получило название вторичной электронной эмиссии. Число электронов, выбиваемых с поверхности катода одним ионом, зависит от энергии иона и материала катода. Только одновременное протекание этих двух процессов (образование электронных и ионных лавин и вторичная электронная эмиссия) приводит к самостоятельному разряду. В этом случае происходит пробой газового промежутка и зажигание самостоятельного газового разряда.

12.1.4. Типы самостоятельного разряда.

Коронный разряд. В зависимости от давления газа, напряжения, приложенного к электродам, формы и характера расположения электродов различают несколько типов самостоятельных газовых разрядов.

Если при атмосферном давлении создать неоднородное электрическое поле с помощью электродов, один из которых является плоским, а другой представляет острие, то напряженность электрического поля около каждого из них будет различной. На острие плотность заряда максимальна, поэтому при повышении напряжения напряженность поля достигает здесь значения Ек раньше, чем около плоского электрода. Поэтому вблизи острия наблюда-ется неполный пробой газа: образуются электронные и ионные лавины и начинается свечение газового промежутка. Свечение газового промежутка вблизи острия напоминает корону, поэтому этот тип газового разряда называют коронным. (рис.12.1.4,а).

В природе коронный разряд может возникнуть под влиянием атмосферного электрического поля на верхушках деревьев, корабельных мачт и на других остриях. В далекие времена природное свечение такого типа получило название огней святого Эльма и вызывало суеверный ужас у людей.

Коронный разряд можно наблюдать около проводов высоковольтной линии передачи электроэнергии. В технике коронный разряд используется в электрофильтрах, предназначенных для очистки промышленных газов от твердых и жидких примесей.

· Кистевой и искровой разряды.

При увеличении напряжения на месте короныобразуются более мощ-ные электронные лавины, появляются отдельные светящиеся веточки и коронный разряд переходит в кистевой. (рис. 12.1.4,б). Если напряжение уве­личивать и дальше, ветки кистевого разряда растут, становятся все длиннее и в момент, когда одна из них достигнет другого электрода, происходит про-бой газового промежутка, возникает искра. Искровой разряд имеет преры-вистый характер, так как после пробоя напряжение на электродах сильно падает, потому что происходит короткое замыкание промежутка между электродами. Искра исчезает, напряжение вновь возрастает, и процесс пробоя повторяется (рис.12.1.4,в).

Наблюдаемое нами природное явление – молния – гигантская электри-ческая искра естественного искрового разряда. Еще М.В.Ломоносов обна-ружил, что у поверхности Земли существует электрическое поле, которое сильно увеличивается перед началом грозы. Причиной увеличения электри-ческого атмосферного поля во время грозы являются электрические заряды, расположенные на облаках. Обычно нижняя часть облака, обращенная к Земле, несет отрицательные, а верхняя часть – положительные заряды. Молния возникает либо между облаками, либо между облаком и Землей. Отдельные разряды молний длятся несколько микросекунд, при этом сила тока в молнии достигает 500 кА, напряжение перед возникновением молнии составляет 108-109 В. Молния сопровождается сильным разогреванием воздуха, возникает ударная звуковая волна – гром.

Для защиты различных зданий от молний применяют громоотводы (молниеотводы). Громоотводы представляют собой заостренные металли-ческие шесты, укрепленные выше защищаемого здания и соединенные с землей. Действие громоотводов основано на стекании зарядов с острия.

· Электрическая дуга.

Если в цепи есть мощный источник тока, то искру можно превратить в электрическую дугу. Впервые электрическая дуга была получена профес-сором физики Петербургской медико-хирургической академии В. В. Пет­ровым в 1802 г. Он взял два кусочка древесного угля, присоединил их к мощной батарее гальванических элементов, соединил их между собой, а затем стал раздвигать. В месте соприкосновения углей возникло большое сопротивление, поскольку идеального контакта не существует. При прохождении тока в месте контакта концы стержней накалялись, тогда как сами угли не нагревались, потому что теплопроводность угля невелика. Когда стержни раздвигали, происходила термическая ионизация газового проме-жутка, сопровождавшаяся термоэлектронной эмиссией с разогретого катода. Наиболее горячим местом дуги было углубление (кратер дуги), обра-зующееся на положительном электроде вследствие бомбардировки его электронами. Температура кратера при нормальном атмосферном давлении до 4000 °С.

Дуговой разряд возникает в тех случаях, когда вследствие нагревания катода основной причиной ионизации газа является термоэлектронная эмиссияиспускание электронов сильно нагретыми телами. Электроды при дуговом разряде могут быть и металлическими. Дуговые разряды применяются для различных целей: для сварки и резания металлов, в электропечах, в прожекторах, проекционных и киноаппаратах и как мощный источник света.

· Тлеющий разряд.

Если из стеклянной трубки выкачать воздух и к приложенным внутри нее электродам подвести постоянное напряжение в несколько сотен вольт, возникает газовый разряд при пониженном давлении, который получил название тлеющий.

При разрежении газа увеличивается расстояние между соседними атомами, а следовательно, и увеличивается длина свободного пробега электрона (и иона). Вследствие этого электроны могут приобрести энергию, необходимую для ударной ионизации при меньшей напряженности поля между электродами.

Если при неизменном напряжении постепенно менять в трубке давление, то сначала возникает кистевой разряд, затем появляется тонкий извилистый светящийся канал, соединяющий электроды, а при давлении

1 –15 Па разряд принимает вид, изображенный на рис. 12.1.5.

К катоду К прилегает тонкий светя-щийся слой 1 (называемый катод-ной пленкой), за которым распола-гается катодное темное пространст-во 2, затем идут светящийся слой 3 (тлеющее свечение) и второе темное пространство 4, называемое фарадеевым темным пространством. За вторым темным пространством расположена светящаяся область 5, называемая положительным столбом.

Такое характерное свечение газа при тлеющем разряде связано с распределением потенциала в разрядной трубке. Свечение положительного столба определяется излучением возбужденных атомов, поэтому имеет характерный цвет. Это используется в рекламах. Если трубку наполнить неоном, то возникает оранжево-красное свечение, а если аргоном – синевато-зеленоватое.

При определенном режиме тлеющего разряда происходит распыление материала катода; это используется для металлизации поверхностей, для получения малых зеркал и полупрозрачных пластин.

Понятие о плазме.

· Понятие о плазме. Впервые плазму начали исследовать в 20-е годы XX в. Под плазмой понимают сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов приблизительно равна концентрации положи-тельных ионов. Чем выше температура газа, тем больше ионов и электронов в плазме, тем меньше остается в ней нейтральных молекул. Такая плазма называется электронно-ионной. Наряду с нагреванием ионизация газа может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением или бомбардировкой газа заряженными частицами. Поскольку в плазме концент-рация электронов равна концентрации ионов, в целом ее можно считать электрически нейтральной, а объемный заряд вней равным нулю.

· Свойства плазмы. Плазма обладает целым рядом специфических свойств, отличающих ее от свойств нейтральных газов. Эти отличия позво-ляют рассматривать плазму как особое, четвертое, состояние вещества.

Взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулонов-скими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее, чем силы взаимодействия между молекулами нейтрального газа, которыеявляются короткодействующими.

Частицы плазмы, особенно электроны, легко перемещаются под действием электрического поля.

Электрические и магнитные поля сильно действуют на плазму, вызывая появление в плазме объемных зарядов и токов. На рис.12.2.1 изображено движение частиц плазмы в магнитном поле.

В магнитном поле с индукцией В на частицы плазмы действует Лоренца сила', в результате этого заряженные частицы плазмы вращаются с циклотронными частотами ωВ = еВ/т с по ларморовским спиралям (кружкам) радиуса , где V ^ – перпендикулярная В составляю-щая скорости частицы.

Создаваемые электронами и ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное поле; при этом электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы – против неё.

Применительно к плазме несколько необычный смысл (по сравнению с др. разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и «высокотемпературная». Низкотемпературной плазмой принято считать плазму с Т£ 105К, а высокотемпературной – с Т ³ 106 – 108 К. Это условное разделение связано с тем, что проблема осуществления УТС (УТС – управляемый термоядерный синтез) решается для высокотемпературной плазмы.

В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной – звёзды, звёздные атмосферы, галактические туманности и межзвёздная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

В лабораторных условиях и промышленных применениях плазма образуется в электрических разрядах в газах {дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, исполь-зуется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генерато-рах, в установках для исследования УТС. Многими характерными для плазмы свойствами обладают совокупности электронов и дырок в полупроводниках и электронов проводимости, нейтрализуемых неподвиж-ными положительными, ионами в металлах, которые называются плазмой твёрдых тел. Её отличит, особенность – возможность существования при сверхнизких для «газовой» плазмы температуpax – комнатной и ниже, вплоть до абсолютного нуля температуры. Газовая плазма при температурах, близких к абсолютному нулю, называется криогенной плазмой..

По характеру электрической проводимости плазма приближается к металлам (в металлах тоже объемный заряд равен нулю), т.е. обладает очень хорошей проводимостью. В отличие от металлов проводимость плазмы растет с увеличением температуры. Плазма обладает и хорошей теплопроводностью. Вследствие этого теплота легко уходит из плазмы: электроны и ионы быстро отдают теплоту стенкам сосуда, температура плазмы понижается, происходит рекомбинация.

Плазма для своего существования требует непрерывного подвода энергии извне.

Чтобы плазма не соприкасалась со стенками установки и не отдавала им теплоту, необходимо изолировать ее от стенок установки.

Если плазму поместить в магнитное поле, то характер движения электронов и ионов изменится, они начнут двигаться по траектории, представляющей собой винтовую линию. Эта винтовая линия как бы нанизана на силовую линию маг­нитного поля, при этом электроны движутся в одном, а положительные ионы – в противоположном направлении. Если можно было бы создать такое магнитное поле, силовые линии которого окружали бы плазму со всех сторон (магнитная ловушка), то был бы решен вопрос о термоизоляции плазмы. На самом деле эта проблема гораздо сложнее. С решением этой проблемы связан вопрос управления термоядерным синтезом (УТС).

Практическое применение плазмы. В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова созданы и работают установки «Токамак», на которых в 1969 г. получены первые признаки термоядерной реакции. Задача управляемого термоядерного синтеза не решена до настоящего времени.

Решение этой задачи даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии.

Другой перспективой использования плазмы – к чему техника подошла ближе – является непосредственное превращение тепловой энергии газа в электрическую без промежуточных машин и агрегатов с помощью магнитогидродинамического преобразователя энергии (МГД). Принцип действия МГД преобразователя состоит в следующем: струя высоко-температурной плазмы, попадая в сильное магнитное поле, которое направлено перпендикулярно плоскости чертежа (рис. 12.2.2), разделяется на два компонента: положительные и отрица-тельные частицы, которые устремляются к различным пластинам, создавая опре-деленную разность потенциалов.

Газоразрядную плазму используют в лазерах – квантовых источниках света. Плазмотроны (плазменные генераторы) широко применяются в различных областях техники. С их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия.

Физика плазмы важна и для понимания многих процессов, протека-ющих в космосе, потому что во всем пространстве нашей Солнечной системы существуют «плазменные ветры», иногда их интенсивность настолько велика, что представляет определенную угрозу для космонавтов.

В настоящее время физика плазмы является областью науки, результаты исследования которой находят широкое техническое применение.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-07; просмотров: 553; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.236.171.68 (0.047 с.)