termoelektřina aneb fyzika pevných látek v praxi
DESCRIPTION
Termoelektřina aneb fyzika pevných látek v praxi. Čestmír DrašarPatrik Čermák. Ústav aplikované fyziky a matematiky, FChT, Univerzita Pardubice. SPŠE Pardubice, Karla IV. 13. Hlavní body. Základní „objekty“ FPL Atom, Orbital, Pásy, Krystaly Transportní vlastnosti - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
TermoelektřinaTermoelektřinaaneb fyzika pevných látek v praxianeb fyzika pevných látek v praxi
Čestmír DrašarČestmír Drašar Patrik ČermákPatrik Čermák
Ústav aplikované fyziky a matematiky,
FChT, Univerzita Pardubice
SPŠE Pardubice,
Karla IV. 13
Hlavní bodyHlavní body
Základní „objekty“ FPLZákladní „objekty“ FPL– Atom, Orbital, Pásy, KrystalyAtom, Orbital, Pásy, Krystaly
Transportní vlastnostiTransportní vlastnosti– Rozptyl, Elektrická a tepelná vodivost, Hallův jevRozptyl, Elektrická a tepelná vodivost, Hallův jev
TermoelektřinaTermoelektřina– TE jevy, TE materiály, Mottova rovnice
Moderní trendy v TEsModerní trendy v TEs– Nanorozměr
Aplikace TEsAplikace TEs
Rutherfordův – Chadwickův planetární model atomu s elektronem obíhajícím kolem nepatrného hustého jádra z protonů a neutronů.
[1]
Atomové Atomové OrbitalyOrbitaly
OrbitalOrbital: Místo, kde se elektron vyskytuje s 95% : Místo, kde se elektron vyskytuje s 95% pravděpodobností. pravděpodobností.
Typy orbitalůTypy orbitalů: s, p, d, f, g, h: s, p, d, f, g, h
Kontury atomových orbitalůKontury atomových orbitalů:: Typu Typu gg – možné (dole): – možné (dole): Typu Typu hh – velmi složité. – velmi složité.
Vtzyxp 2),,,(
Struktura pevné fázeStruktura pevné fáze
Tuhé látkyTuhé látky
AmorfníAmorfní KrystalickéKrystalické
MonokrystalickéMonokrystalické PolykrystalickéPolykrystalické
Tuhé látkyTuhé látky
AmorfníAmorfní KrystalickéKrystalické
MonokrystalickéMonokrystalické PolykrystalickéPolykrystalické
KrystalovéKrystalové Mřížky Mřížky
PoruchyPoruchy::– PlošnéPlošné– Čárové (dislokace)Čárové (dislokace)– BodovéBodové::
VakanceVakance
InterstaciálInterstaciál
Krystal NaCl
Elementární buňka
Pásová teorie pevných látekPásová teorie pevných látek
Kondenzace sodíkových atomůKondenzace sodíkových atomů – – vznik energetických pásůvznik energetických pásů
• U U kovůkovů se energetické pásy se energetické pásy překrývajípřekrývají nebo jsou nebo jsou neúplně zaplněnéneúplně zaplněné• U U polovodičů / izolantůpolovodičů / izolantů se nepřekrývají a jsou se nepřekrývají a jsou zcela plnézcela plné nebo nebo zcela prázdnézcela prázdné
r0
E
r0
3s1
2p6
2s2
1s2
N atomů = N hladin
Orbitaly Orbitaly jednotlivých atomůjednotlivých atomů
Pásy Pásy kovového sodíkukovového sodíku
Klesá kinetická energie
Pásová teorie pevných látekPásová teorie pevných látek
E
r0
3s1
2p6
2s2
1s2
Orbitaly Orbitaly jednotlivých atomůjednotlivých atomů
Pásy Pásy kovového sodíkukovového sodíku
Eg
KOV POLOVODIČIZOLANT
Eg
Přirozené bodové poruchyPřirozené bodové poruchy:: VakanceVakance Interstaciály InterstaciályAntistrukturníAntistrukturní
Pásová teorie – Pásová teorie – dopování polovodičůdopování polovodičůUmělé bodové poruchyUmělé bodové poruchy::
Si – B, P…Si – B, P…GaAs – Be, Si, Ge…GaAs – Be, Si, Ge…
Eg
TransportTransport - Rozptyl - Rozptyl
Dráha Dráha (rozptyl) (rozptyl) elektronuelektronu::
Mechanismy rozptyluMechanismy rozptylu:: Na kmitech mřížky (fonony)Na kmitech mřížky (fonony) Na ionizovaných příměsíchNa ionizovaných příměsích Na neionizovaných příměsích Na neionizovaných příměsích
a strukturních poruchách a strukturních poruchách
vl
log
log T
Ionizované příměsi
Mřížkový rozptyl
Větší koncentrace
~T3/2 ~T-3/2
qnRH
xxx*
xx* Eq
v
dt
vdmEq
dt
vdm
TransportTransport – Elektrická vodivost – Elektrická vodivost
Transport náboje Transport náboje v látkovém prostředí:v látkovém prostředí:
Mikroskopický pohled na Mikroskopický pohled na Ohmův zákonOhmův zákon::
xx
xx
Em
qv
Eqt
vm
*
*
dvqnS
Ij
dt
qSdlnI
Ej
EqnEm
qqnjn
*
nq
nm
q*
2
elektron!
S
dV
dl
I
(kovy)
TransportTransport – Tepelná vodivost – Tepelná vodivost
SložkySložky:: Mřížková (Mřížková (mm))
Elektronová (Elektronová (ee))
Franzův-Wiedemannův Franzův-Wiedemannův zákon zákon (kovy):(kovy):
81045,2
k
Tk
Lorenzovo číslo
TransportTransport – Hallův jev – Hallův jev
I
B
UH
+
-Fm
Fe
d
b
-
+++
--
Pozn.: neuvažujeme rozptyl.
EH
d
BI
qnU
EqBvq
FF
H
d
em
1
pnHH qnAR
,
1
Hallův rozptylový faktor
„„Klasický“ Klasický“ Hallův jevHallův jev::
DáleDále::
KvantovýKvantový SpinovýSpinový
TermoelektřinaTermoelektřina – TE jevy – TE jevy
1.1. ThomsonůvThomsonův
2.2. SeebeckůvSeebeckův
3.3. PeltierůvPeltierův
p-typ n-typ
U+ -
++
+-
--
ZAHŘÍVÁME 3.2.
)( 12 TTU AB TABAB
p-typ n-typ++
+
---
- --
OCHLAZOVÁNÍ
Peltierův článekPeltierův článek
Termoelektřina Termoelektřina – TE materiály– TE materiály
TZT 2
ZT-parametr
Maximální účinnost TE generátoru
ZTTT
ZT
T
TT
HCH
CH
1/
1)(500 1000 1500
0
1
2
3
4
p - SiGe
ZT = 1
n - SiGe
p - Bi0.5
Sb1.5
Te3
n - PbTe
n - Bi2Te
2.95Se
0.05
Z*1
03 (K
-1 )
T ( K )
p - Ce Fe0.9
Co0.1
Sb3
p - Zn4Sb
3
500 1000 15000
1
2
3
4
p - SiGe
ZT = 1
n - SiGe
p - Bi0.5
Sb1.5
Te3
n - PbTe
n - Bi2Te
2.95Se
0.05
Z*1
03 (K
-1 )
T ( K )
p - Ce Fe0.9
Co0.1
Sb3
p - Zn4Sb
3
Teplotní závislost Z a ZT-parametru pro vybrané materiály
Mottova rovniceMottova rovnice
FE
B
dE
Ed
q
Tk
ln
3
22
FE
B
dE
Ed
dE
Edn
nq
Tk
11
3
22
hustota stavůhustota stavů pohyblivostpohyblivost
anebanebDobrý termoelektrický materiálDobrý termoelektrický materiál
Moderní TEsModerní TEs - Nanorozměr - Nanorozměr
„„Tam dole je spousta místa.“ Tam dole je spousta místa.“ (R. P. Feynman)(R. P. Feynman)
nano – nano – 1010-9-9 (1 nanometr = 0,000000001 m)(1 nanometr = 0,000000001 m)
TermoelektřinaTermoelektřina – Aplikace – Aplikace
Peltierův jevPeltierův jev – chlazení: – chlazení:– součástek, krevní plasmy a sér, autocampingsoučástek, krevní plasmy a sér, autocamping
Seebeckův jevSeebeckův jev::– MěřeníMěření::
Teploty (termočlánky)Teploty (termočlánky)
– TE generátoryTE generátory::solární kolektory (nepřímá přeměna slunečního záření), solární kolektory (nepřímá přeměna slunečního záření), vesmírné sondyvesmírné sondy
BudoucnostBudoucnost::– Úplné či částečné nahrazení alternátoru, Úplné či částečné nahrazení alternátoru,
rodinné domky, hodinky, ?????????????rodinné domky, hodinky, ?????????????
ShrnutíShrnutí - Závěr - Závěr
Co by jste měli vědět?Co by jste měli vědět?Všechno!Všechno!
1.1. Atom – orbitaly Atom – orbitaly 2.2. Pásová teorie – asi to tak budePásová teorie – asi to tak bude3.3. Krystaly – fakt pěknýKrystaly – fakt pěkný4.4. Transportní vlastnosti – hromada vzorců a obrázkůTransportní vlastnosti – hromada vzorců a obrázků5.5. Termoelektřina – to chci domůTermoelektřina – to chci domů
OTÁZKY???OTÁZKY???
Literatura Literatura – Použitá a Doporučená– Použitá a Doporučená
[[11]] SStephentephen Hawking Hawking: Stručná historie času v obrazech, : Stručná historie času v obrazech, ARGO 2002 ARGO 2002
(obrázek modelu atomu)(obrázek modelu atomu)
[[22]] D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Vysokoškolská D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Vysokoškolská učebnice obecné fyziky, VUTIUM-PROMETHEUS učebnice obecné fyziky, VUTIUM-PROMETHEUS 20062006
(pěkně zpracovaný soubor knížek)(pěkně zpracovaný soubor knížek)
THE ENDTHE END
Čestmír DrašarČestmír Drašar [email protected], , http://kf.upce.cz
Patrik ČermákPatrik Čermák [email protected], , www.pcermak.webnode.cz
Přednáška byla konána pod záštitou Fyzikálního klubu: Přednáška byla konána pod záštitou Fyzikálního klubu:
www.fyk-spse.tk