Efectul Seebek în Semiconductoare

1. Scopul lucrarii

Scopul teoretic, general, al acestei lucrari este reprezentat de introducerea si comentariul notiunilor de : tensiune termoelectromotoare, efect Seebeck (efect termoelectric) în materiale semiconductoare, eficienta a conversiei de energie, alte fenomene termoelectrice (efectul Peltier si efectul Thomson.

Scopurile practice ale acestei lucrari sunt :

A. Masuratori si grafice care vizeaza tensiunea în gol si curentul de scurtcircuit la diferite valori ale diferentei de temperatura dintre elementele termogeneratorului : calculul concret al coeficientului Seebeck pentru un termoelement.

B. Masuratori si grafice ale curentului si tensiunii de la bornele termogeneratorului, atunci când diferenta de temperatura se mentine constanta, dar variaza rezistenta în circuitul exterior : calculul concret al rezistentei interne a termogeneratorului.

C. Masuratori si grafic al puterii electrice în conditii de adaptare : calculul concret al eficientei conversiei de energie (stiind cantitatea de caldura consumata si puterea electrica generata).

2. Teoria lucrarii

Dispozitivele care transforma o forma de energie neelectrica (termica, chimica, mecanica, etc) în energie electrica poarta numele de surse de tensiune electromotoare / generatoare de o anumita factura.

Atunci când energia electrica apare datorita unor conditii termice deosebite (deci pe seama energiei termice), dispozitivul corespunzator poarta numele de termogenerator.

Pentru a întelege notiunea de "termogenerator", este necesar sa vedem în ce anume constau efectele termoelectrice, care intervin în functionarea acestuia.

Astfel, într-un material termoelectric exista purtatori liberi care pot transporta atât sarcina cât si caldura. Cel mai simplu exemplu este un gaz cu particule încarcate electric. Atunci când acest gaz este plasat într-o cutie supusa unei diferente de temperatura - unde un capat al incintei este rece iar celalalt capat este fierbinte - particulele de gaz din capatul cald se vor misca mai repede decât cele reci. Particulele "fierbinti", rapide (cu energie cinetica mai mare), vor difuza/vor patrunde mai rapid si mai departe decât cele reci, ceea ce va conduce la cresterea numarului acestora (deci si a concentratiei lor) catre capatul rece. Variatia de concentratie - pe de alta parte - va obliga particulele sa difuzeze înapoi, catre capatul cald. Cele doua efecte (variatia spatiala a concentratiei simultan cu variatia spatiala a temperaturii) se vor compensa reciproc, astfel încât în stare stationara nu va exista un flux net de particule între extremitatile cutiei. Totusi, în capatul rece concentratia particulelor va fi mai mare decât cea din capatul cald.

Efectul Seebeck în semiconductoare

Daca particulele sunt încarcate electric, acumularea de sarcini electrice mobile (electroni) catre capatul rece (unde temperatura T2 < T1) va face ca aceasta zona sa se încarce negativ. Capatul cald al incintei va ramâne încarcat pozitiv, ceea ce conduce la aparitia unui câmp electric Er, deci si a unei forte repulsive, care se opune miscarii - în continuare - a electronilor (vezi figura 1). Existenta câmpului electric înseamna diferenta de potential (respectiv tensiune electrica) între cele doua capete ale incintei.

Aparitia unei tensiuni electrice generate de o diferenta de temperatura (deci conversia energiei termice în energie electrica) poarta numele de efect Seebeck (vezi si Anexa 1). Acesta este un efect termoelectric. Nu este singurul (vezi Anexa 2).

Figura 1 INCINTAU INCINTAU

In cazul materialelor semiconductoare, putem avea doua posibilitati. Daca sarcinile libere sunt pozitive (materialul este un semiconductor de tip p), acumularea suplimentara a acestor sarcini catre capatul rece va produce un potential pozitiv. Asemanator, sarcinile libere negative (în cazul unui semiconductor de tip n) vor genera un potential negativ la capatul rece (figura 2).