Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 23 dotazů obsahujících »polovodič«
1) Seebeckův a Peltierův jev
07. 04. 2008
Dotaz: Dobrý deň, chcem Vás poprosiť o vysvetlenie či peltierov a seebeckov
jav prebieha aj pri vežmi nizkych teplotách (tekuté helium). Ako by sa
správal termočlánok vytvoreny z kovov olova a zinku ktoré sú pri tejto
teplote supravodivé. Bude dochádzať k prenosu tepla pri pretekaní
elektrického prúdu takýmto článkom. (Ján Sojka)
Odpověď: Velikost Peltierova i Seebeckova jevu velmi silně klesá s klesající teplotou. Existuje několik kombinací kovů nebo slitin, které dávají ve spojení ještě rozumně měřitelné elektromotorické napětí termočlánku pod 100 K. Je to například Au s 0,03 % Fe proti Cu nebo chromelu, Au s 2,1 % Co proti mědi, s nimiž lze měřit až k héliové teplotě. Málo se používají, poněvadž jejich citlivost je velmi malá a je třeba také zabránit přítoku tepla po drátech (které nemohou být velmi tenké) z vyšší teploty na měřený objekt v nízké teplotě.
Seebeckův jev přestává být reálné použitelný k chlazení pod 100 K. Takovouto
teplotu lze dosáhnout kaskádou chladicích článků, jimiž protéká poměrně silný proud. Je třeba efektivně odvést teplo z teplého konce článku i Joulovo teplo. Tyto články se vytvářejí ze směsných polovodičů, v nichž je tento efekt nejsilnější.
Supravodiče by zřejmě nic měřitelného nezpůsobilý, Zn je navíc supravodivý
až pod 0,875 K.
Dotaz: Dobrý deň, chcel by som Vás poprosiť o vysvetlenie problematiky
seebckovho javu. Ide mi konkretne o nasledovné. Ak vytvoríme uzavretý obvod z
dvoch rôznych kovov a spoje udržiavame na rôznych teplotách začne
obvodom pretekať elektrický prúd. Otázka znie čo sa deje z teplom
ktore dodávame teplejšiemu spoju. Jasné je že sa šíri
tepelnov vodivosť;ou k chladnejšiemu spoju, ale premieňa sa aj na
elektrickú energiu preteká juceho prúdu obvodom (ten sa samozrejme mení na
joulove teplo v celom objeme kovov). Otázka znie dochádza aj k prenosu tepla z
teplejšieho spoja na chladnejší vplyvom peltierovho javu? Dali by
sa tieto pochody nejako vypočítať a tym úrčiť účinnosť termoelektrickeho generátora? Od čoho vlastne zavisí účinnosť takého termoelektrického generátora? (Ján Sojka)
Odpověď: V Peltierově generátoru se uplatňuje jak chladicí výkon zprostředkovaný nosiči náboje v soustavě dvou spojených materiálu (většinou polovodičů), tak i parazitní přenos tepla těmito materiály od teplého k chladnému konci, rovněž i Joulovo teplo vznikající průchodem proudu materiály. Je tedy nutná optimalizace parametrů generátoru, aby výsledný efekt byl co nejlepší. Teplo vybavované na teplém konci se odvádí chlazením (napr. vodou, nejčastěji však vzduchem), radiací a vedením tepla.
K charakterizaci Peltierova generátoru se zavádí parametr kvality Z = a·a/(r·k) [1/K] případně Z·T (bezrozměrný), který v nejlepším případě dosáhne hodnoty 1. Omlouvám se za zápis vztahů, nemohu použít indexy ani řeckou abecedu. Parametr a označuje Seebeckův koeficient (U = a·dT), r je měrný elektrický odpor materiálu, k je měrná tepelná vodivost materiálu - rozumí se vždy střední hodnota ramen článku.
Chladicí výkon Peltierova článku je dQ/dt = P·I, kde P označuje Peltierův koeficient svázány se Seebeckovym koeficientem a vztahem P = a·T.
Nejvyšších parametrů kvality Z = 0,015-0,04 se dosahuje v polovodičových tuhých roztocích Bi - Té, Sb - Té, Bi - Se nebo Bi -Sb, případně jiných. Novější údaje neznám.
Dotaz: Dobrý den, rád bych se zeptal, jaký je mechanismus vedení elektrického proudu v
grafitu, hlavně co je důvodem toho, že je teplotní závislost odporu klesající.
Může to být způsobeno tím, že jak je 4 vazný uhlík "napasován" do šesterečné
soustavy, že se zvyšující teplotou některé vazby "povolí"? Pak mě ale zase
překvapuje tak vyvoký bod tání grafitu. Děkuji za Vaši odpověď (Miroslav Panoš)
Odpověď: Elektrická vodivost grafitu dána jeho strukturou. Atomy uhlíku uspořádané do
šestiúhelníků vytvářejí jednotlivé vrstvy (jakési včelí plástve), které jsou
k sobě poutány slabšími interakcemi.
Uhlík v grafitu má tzv. hybridizaci sp2. To znamená, že jeho
sigma-vazby jsou tři a směřují do vrcholů rovnostranného trojúhelníka.
Podobné uspořádání známe u uhlovodíků s dvojnou vazbou nebo u benzenu. Takto
uspořádané tři vazby si přímo říkají o spojování do šestiúhelníkú a jejich
další spojování do "plástve", nejde tedy o žádné násilné napasování.
Do hybridizace se nezapojil čtvrtý orbital na uhlíkovém atomu, označovaný
pz. Tyto zbylé orbitaly všech uhlíkových atomů jedné vrstvy
(plástve) se dohromady kombinují na jeden veliký, tzv. delokalizovaný,
pí-systém orbitalů. Vzájemnou kombinaci za vzniku jednoho systému známe i v
menším vydání: u uhlovodíku benzenu, kde se týká šesti orbitalů, a u dalších
aromatických uhlovodíků.
Delokalizace znamená, že určitý elektron "nepatří" k žádnému určitému
uhlíkovému atomu vytvářejícímu pí-systém, ale se stejnou pravděpodobností se
může vyskytovat na libovolném místě delokalizovaného systému. Což je v
důsledku volná pohyblivost elektronů v pí-orbitalech po celé "plástvi". A
tedy elektrická vodivost. Zároveň je zřejmé, že se elektrický proud přenáší
dobře pouze po vrstvách, nikoli napříč (neexistují propojení pláství), a že
narušení pravidelné struktury pláství (tj. porucha v krystalu) může vodivost
ovlivňovat.
K teplotní závislosti vodivosti mě napadá pouze následující:
Vodivost rostoucí s teplotou spíše nebude způsobena přerušením některých
vazeb (viz výše, geometrické uspořádání je přirozené a nevytváří žádné
zvláštní pnutí). Růst vodivosti s teplotou pozorujeme v případě vlastní
vodivosti polovodičů, kdy elektrony s vyšší energií způsobenou vyšší
teplotou mají větší šanci překonat energetický rozdíl mezi energetickým
pásem, v němž jsou, a nejbližším vyšším prázdným energetickým pásem, v němž
už se mohou volně pohybovat. Grafit je podoben právě spíše polovodičům než
kovům - vytváří síť kovalentních vazeb atd. Zřejmě také možnost rozkmitání
uhlíkových atomů je menší než u kovů, protože jsou drženy na místě směrovými
kovalentními vazbami. Vazba v kovech je nesměrová, na všechny strany stejná,
kdežto kovalentní vazba - překryv orbitalů - vyžaduje určité prostorové
uspořádání a znesnadňuje výchylky.
Dotaz: Dobrý den, chtěl bych se zeptat, co si představit pod pojmem koherenční
délka(např. laseru)...děkuji Novák (Petr Novák)
Odpověď: Koherenční délka udává největší dráhový rozdíl, při němž je ještě světlo daného zdroje schopno interference. U polovodičových laserů jde typicky o centimetry, u kvalitních He-Ne laserů až o metry. Koherenční délka je důležitým parametrem u aplikací využívajících interference, jako například při měření délky či měření poloměrů křivosti optických ploch.
Dotaz: Dobrý den! Při rozhovoru o supravodivosti jsem nedávno svému synovi nedokázal
odpovědět na tyto tři dotazy: Velkým nepřítelem polovodičů je zvýšená teplota.
Proto se polovodičové součástky běžně opatřují různými chladiči, které mají
teplo, vznikající průchodem proudu součástkou, rozptýlit do okolí. Někteří
kutilové si prý pořizují pro své procesory v počítačích chlazení vodou a dokonce
i kapalným dusíkem... Otázky tedy zní: 1.) jak se bude chovat polovodič na bázi
křemíku (tranzistor, mikroprocesor), který bude pracovat v kosmu, když bude
ochlazen na teplotu 2,7 K ? 2.) nedojde k supravodivosti a následnému zkratu,
(úplnému otevření všech PN přechodů)? 3.) na jakou mezní teplotu mohu
(teoreticky)polovodiče zchladit, aniž by ztratily svou funkčnost, danou
principem PN přechodu? Samozřejmě, existují datasheety, ve kterých je rozsah
provozních i skladovacích teplot výrobcem definován. Polovodiče navíc pracují v
souborech s jinými součástkami a zdroji energie, které takové snížení teploty
též nemusí snést... Jedná se tedy o čistě teoretické pracovní podmínky. Děkuji
za Váš čas a zájem, Štěpnička. (Vladimír Štěpnička)
Odpověď: K odpovědi na tyto otázky je třeba si uvědomit, co způsobuje vedení proudu v polovodičích anebo v supravodičích. K tomu, aby se mohly nositele náboje (elektrony nebo díry) podílet na vedení proudu v polovodiči, musejí překonat energetickou bariéru - zakázány pas. Čím vyšší teplotu má polovodič, tím větší množství nositelů nábojů se dostane do vodivostniho pasu. Toto množství se mění s teplotou exponenciálně. Rostoucí proud pak zahřívá polovodič a mohlo by dojít k jeho zničení. V nízkých teplotách naopak odpor polovodiče výrazně roste. Toho se dá využít k měření teploty. Takový monokrystal germania s odporem několika ohmů za pokojové teploty má pod teplotou kapalného hélia (4,2 K) odpor desítek i stovek kiloohmu v závislosti na stupni dopování. Většina polovodičových prvků již není schopna pracovat při teplotě kapalného dusíku (77 K). Pro účely nízkošumového zesílení jsou vyvíjený tranzistory schopné pracovat v nízkých teplotách, v nich se však p-n přechody udržují na stabilizované vyšší teplotě procházejícím proudem. Pro tyto účely jsou vhodnější jiné polovodiče než křemík, zejména GaAs, pak pracují i při 4 K. Kosmické pozadí má sice teplotu asi 2,7 K, teplota předmětů v kosmu je určena zejména absorpci záření a bývá mnohem vyšší než tato nejmenší teplota reliktního záření. Také se procházejícím proudem tepelně stabilizují. Tento problém je tedy na kosmických aparaturách vyřešen. Supravodiče vedou proud (bez odporu) jiným mechanismem. Elektrony se v supravodiči pohybují po párech korelované (s opačným momentem a opačným magnetickým momentem - spinem), takže na ně mřížka zbytku atomů nepůsobí. Tento jev nastává hlavně v kovech a slitinách (nemagnetických) pod určitou kritickou teplotou. Existuje sice supravodivost i v nekovech (oxidech, organických látkách, fullerenech, MgB a dalších), ty však nemají polovodičový charakter vodivosti. Tedy situaci, kdy se v polovodiči projeví supravodivost, si dovolím vyloučit. Závazným problémem je však poškození elektronických součástek záchytem částic kosmického záření, které může může mít negativní vliv na jejich parametry.
