1 Термоэлектрлік құбылыстар. Дәріс 8. Металда температураның градиентін тудырса, яғни оны біркелкі емес қыздырса, онда жылу ағыны пайда болады. Бұл жылу. - презентация

1 1 Термоэлектрлік құбылыстар. Дәріс 8

2 Металда температураның градиентін тудырса, яғни оны біркелкі емес қыздырса, онда жылу ағыны пайда болады. Бұл жылу ағынын тудыруда электрондарда қатысады. Қыздырылмаған металда электрондардың бағытталған қозғалысы, яғни электрлік ток пайда болады. Температураның градиенті өте үлкен болмағанда пайда болатын ток тығыздығы температура градиентіне тура пропорционал болады Егер температура градиенті мен қатар электр өpici де нөлден өзге болса мұндағы - металдың электр өткізгіштігі, - металды сипаттайтын жалпы жағдайда температураға тәуелді шама. Ток тығыздығы сияқты жылу ағынының тығыздығы да тек температура градиенті мен ғана емес, электр өрісімен де анықталады

3 мұндағы Соңғы формулалардың біріншi өрнегінен өткізгіште ток жоқ кезінде де, егер ол біркелкі қыздырылмаған болса, электр өpici пайда болатынын Бұл формула біркелкі қыздырылмаған металды пайдаланып ЭҚК көздерін жасауға болатынын көрсетеді. Бұл үшін бір металл жеткіліксіз.

4 Себебі ЭҚК электр өрісі кернеулігінен тұйық контур бойымен алынған интеграл Егер тұйық тізбек екі түрлі металдардан тұратын болса, ЭҚК нөлден өзге болады.

5 Зеебек кұбылысы. Егер екі түрлі металдардың тұйық тізбек жасап, осы кезде пайда болатын 1 және 2 жапсарларды әр түрлі температурада ұстаса, тізбек бойымен ток жүретін байқалады, яғни тізбекте ЭҚК Т1 пайда болады Бұл құбылысты 1821 жылы Зеебек ашқан. Т1 5

6 Егер, интеграл нолге тең болмайды, ЭҚК пайда болады. Бұл ЭҚК-ті жылулық ЭҚК деп атайды, ал екі түрлі металдардан тұратын тұйық тізбек термоэлемент, болмаса термопара деп аталады. Біріншіci екі түрлі металдардың Ферми деңгейлерінің бірдей еместігі және олардың температураға тәуелділігі. Екіншісі біркелкі кыздырылмаған екі түрлі металдарда пайда болатын потенциалдар айырымдарының алгебралық қосындысының нөлге тең болмайтындығы. Зеебек құбылысы кезінде пайда болатын ЭҚК анықтайтын және шамалар металдардың табиғатына және температураға тәуелді. Егер белгілі температуралар аралығында шамаларды тұрақты деп есептеуге болатын болса, 6

7 мұндағы - меншікті термоЭҚК деп аталады және жапсарлардағы температуралар айырымы бipгe тең болған кездегі пайда болатын ЭҚК шамасымен анықталады. ЭҚК-тің бірлігі (практикада ). Көпшілік пар металдар үшін оынң шамасы Ал әр түрлі типті шала өткізгіштер пары үшін ceбeбi екі түрлі (n-типті және р-типті) шала өткізгіштер Жалпы жағдайда термоЭҚК температураға сызықты түрде тәуелді емес, тіпті таңбасы да өзгеруі мүмкін. Мысалы, темір- мыс тұйық тізбегінің бip жапсарын 0°С- да, екіншісін 540° С ұстаса термоЭҚК нөлге айналады. Зеебек құбылысын температураны өлшеу үшін қолданады. Температураны өлшеу үшін қолданатын термоэлемент термопара деп атайды.

8 Пельтье құбылысы. Жылу ағыны температура градиенті жоқ кезде де бола алады. Екі түрлі металдардан құрылған тұйык тізбек аркылы ток жіберсе, тізбек жапсарларында жылу бөлінеді (жұтылады). - бірлік уакытта жапсардағы бөлінетін жылудың мөлшерін анықтайды. Бұл құбылысты 1834 жылы Француз ғалымы Пельтье ашқан. Тәжірибелер негізінде жапсарда бөлінетін (жұтылатын) жылудың шамасы осы жапсар аркылы өтетін зарядтың шамасына тура пропорционал екендігі тағайындалған. П-Пельтье коэффициенті деп аталады. 8

9 Тізбектегі токтың бағытын өзгерткен кезде Пельтье коэффициенті таңбасын өзгертеді, яғни жылу бөлінетін жапсарда жылу жұтылады да, жылу жұтылатын жапсарда жылу бөлінеді. СИ системасындағы Пельтье коэффициентінің бірлігі Көпшілік пар металдар үшін Пельтье коэффициенті Пельтье құбылысын пар металдар үшін былай түсіндіруге болады: әр түрлі металдардағы электрондардың орта кинетикалық энергиялары әр түрлі. Сондықтан ток электрондарының орта энергиясы кішi металдан, орта кинетикалық энергиясы үлкен металға қарай бағытталған болса, бұл кезде кepi қарай козғалатын орта кинетикалық энергиясы үлкен электрондар екінші металға өткен кезде төменгі энергетикалық деңгейлерге өтуге (түсуге) мүмкіндік алады. 9

10 Осы кезде электрондар өзінің артық энергиясын торға береді, яғни жапсар кызады. Егер токтың бағыты керісінше болса, орта кинети­калық энергиясы кішi электрондар екінші металға өткенде жоғарғы энергетикалық деңгейлерге өтуге мәжбүр болады. Бұл электрондар жетіспейтін энергияны тордан алады, сондықтан жапсар суиды. Ал егер тізбек екі түpлi (n және р – типті) шала өткізгіштерден тұратын болса, онда ток бағытталған 1 жапсарда n-типті шала өткізгіштің электрондарымен р-типті шала өткізгіштің кемтіктері кездесіп бейтараптанады. Бұл кезде бөлінген энергия жапсарды кыздырады. Керісінше 2 жапсардан электрондар мен кемтіктер сорылып алынуға тиісті болғандыктан, 2 жапсарда электрондар мен кемтіктердің парланып пайда болуы керек (бұл кезде электрондар p-типтi шала өткізгіштің валенттік зонасынан n -типті шала өткзгіштің өткізгіштік зонасына өтеді). Осы үшін керек энергия тор энергиясы есебінен алынады, сондықтан 2 жапсар суиды. Пельтье құбылысын мұздатқыш машиналар жасау және ғимараттарды, пәтерлерді жылыту үшін қолдануға болады. 10

11 Томсон құбылысы. Біркелкі қыздырылмаған өткізгіш арқылы ток жүретін болса, онда косымша жылу бөлінеді. Бұл құбылысты Томсон құбылысы деп атайды. Егер өткізгіште температура градиенті болмаса, (Т = const болса), тек Джоуль жылуы ғана бөлінер еді. Жылу ағыны бар кезде (gradT ) өткізгіште бөлінетін жылу соңғы формулаға өpic кернеулігі мен жылу ағынының өрнектерін қойсақ, - Томсон коэффициенті. 11

12 Бұл жылу токтың біріншi дәрежесіне пропорционал, сондықтан токтың бағыты өзгерген кезде таңбасын өзгертеді, яғни Томсон жылуының бөлінуі де, жұтылуы да мүмкін. Томсон құбылысын былай түсіндіруге болады. Егер токтың берілген бағытында электрондар өткізгіштің ыстық ұшынан салқын ұшына қарай қозғалатын болса, ыстық электрондар өткізгіштің салкын бөліктеріне ауысады. Төменгі температураға сәйкес келетін тепе-тендік таралуға өткен кезде электрондар артық энергиясын торға береді, яғни өткізгіште жылу бөлінеді. Ал токтың бағыты керісінше болса, электрондардың жоғарғы температураға сәйкес тепе-тендік таралуға өтyi тор энергиясының есебінен орындалады, яғни энергия жұтылу процeci жүреді. 12

13 Сұйық заттардың электроөткізгіштігі. Таза сұйықтар электр тогын нашар өткізетін орталар, бірақ тұздардың, қышқылдардың және сілтілердің судағы ерітінділері электр тоғын өткізеді. Себебі суда ерітілетін заттың молекулалары оң және теріс иондарға ажырайды, яғни диссоциация процесі жүреді. Электролиттер арқылы токтың жүруі еритін заттың суда диссоциациялану коэффициентіне тәуелді. Диссоциациялану коэффициенті иондар концентрациясының N ерітілген зат молекулаларының концентрациясына катынасымен анықталады 13

14 Диссоциацияланбаған молекулалардың бірлік көлемдегі саны Ерітіндіде диссоциация процесімен қатар, оған кepi процесс - иондардың бірігіп, нейтрал молекулаларға айналу процесі жүреді. Диссоциация процесі кезінде пайда болатын иондардың саны көбейген сайын кepi процестің интенсивтігі арта түседі. Пар иондардың концентрациясы белгілі бip шамаға жеткенде динамикалық тепе-тендік күй орнығады.

15 Егер ерітілген заттың концентрациясы өте аз болса, болады. Ал болса, Ерітінділердің электрөткізгіштігі. Ерітінділерде ток тасымалдайтын зарядталған бөлшектер диссоциация процeci кезінде пайда болатын оң және тepic иондар болғандықтан, ток тығыздығының формуласын төмендегідей түрде жазуға болады 15

16 Соңғы формуладағы иондардың қозғалғыштықтары мен диссоциация коэффициенті ерітілген заттың концентрациясына, температураға тәуелді, бірак, электр өpici кернеулігінің бірнеше миллион мәніне дейін бұл тәуелділік өте әлсіз. Әлсіз ерітінділердің электрөткізгіштігі концентацияға тура пропорционал болады. Күшті ерітінділерде пар иондардың саны өте көп болғандықтан, олардың өзара әсері ескеру қажет. Күшті электролиттердің электрөткізгіштігі Температура артқан сайын ерітінділердің электрөткізгіштігі кемиді. 16

17 Электролиз. Егер ерітіндіге өткізгіш пластиналар (электродтар) салып, оларды ток көзімен қосса, тізбек аркылы ток жүреді. Электролиттегі ток тасымалдаушы зарядталған бөлшектер оң және тepic иондар, ал металдардағы - электрондар. Анодта оған келген тepic иондар (аниондар) өзінің артық электрондарын анодка беріп, бейтарап атомдарға, ал катодта оған келген оң иондар (катиондар) қосымша электрондар алып, бейтарап атомдарға айналуға тиісті. Тек осындай алмасу болған жағдайда ғана электролиттегі қосынды ток металдағы электрондық токка тең болады 17

18 Сонымен электролит-металл тізбегі аркылы ток жүрген кезде электролитте химиялық ажыратылу (жіктелу) процесі жүреді. Бұл құбылысты электролиз деп атайды және оны 1833 жылы М. Фарадей ашқан. Электролиз құбылысы кезінде электродтарда заттар бөлініп шығады. Тізбек аркылы өткен зарядтың шамасы ток күші және уакыт аркылы өрнектесек Электролиз кезінде электродтарда бөлінетін заттың шамалары грамм эквивалентпен тізбек арқылы өткен зарядтың шамасына пропорционал. Б.С.Якоби электролизді бедерлі модельдердің металдық көшірмесін алу үшін колдануды ұсынды. Бұл әдісті гальванопластина деп атайды. 18

19 Гальванопластина кезінде пластикалық материалдан жасалған модель графит ұнтағымен қапталады да катод ретінде электролитке батырылады. Электролиттің құрамында бедер көшірмесін түзейтін металл болады. Электролиз кезінде металл катод бетіне жабысып, модельдің дәл көшірмесін жасайды. Кейін модельдің дәл көшірмeci оңай ажыратып алынады. Электролизді металл бұйымдарды баска металдардың жұка қабатымен қаптау үшін (алтындау, күмістеу, т.с.с) колданады. Кейде металды коррозиядан сактау үшін электролиз колданылады. Бұлардан баска электролиздің техникада колданылуы көп (электро­металлургия, электрополировка, т.с.с). 19

20 Газдардың электрөткізгіштігі. Атомдардың ионизациялануы және иондардың рекомби-нациялануы. Иондық лавина. Тәуелді разрядтың вольт-амперлік сипаттамасы. Тәуелсіз разряд, оның түрлері Заттың плазмалық күйі 20