Termoelektina aneb fyzika pevnch ltek v praxi estmr

Termoelektřina aneb fyzika pevných látek v praxi Čestmír Drašar Patrik Čermák Ústav aplikované fyziky a matematiky, SPŠE Pardubice, Univerzita Pardubice Karla IV. 13

Hlavní body Základní „objekty“ FPL – Atom, Orbital, Pásy, Krystaly Transportní vlastnosti – Rozptyl, Elektrická a tepelná vodivost, Hallův jev Termoelektřina – TE jevy, TE materiály, Mottova rovnice Moderní trendy v TEs – Nanorozměr Aplikace TEs

Rutherfordův – Chadwickův planetární model atomu s elektronem obíhajícím kolem nepatrného hustého jádra z protonů a neutronů. [1]

Atomové Orbitaly Orbital: Místo, kde se elektron vyskytuje s 95% pravděpodobností. Typy orbitalů: s, p, d, f, g, h Kontury atomových orbitalů: Ø Typu g – možné (dole): Ø Typu h – velmi složité.

Struktura pevné fáze

Krystalové Mřížky Elementární buňka Krystal Na. Cl Poruchy: – – – Plošné Čárové (dislokace) Bodové: Vakance Interstaciál

Pásová teorie pevných látek N atomů = N hladin E Kondenzace sodíkových atomů – vznik energetických pásů 3 s 1 2 p 6 2 s 2 1 s 2 r 0 Pásy kovového sodíku Orbitaly jednotlivých atomů Klesá kinetická energie • U kovů se energetické pásy překrývají nebo jsou neúplně zaplněné • U polovodičů / izolantů se nepřekrývají a jsou zcela plné nebo zcela prázdné r 0

Pásová teorie pevných látek E 3 s 1 2 p 6 Eg 2 s 2 1 s 2 r 0 Pásy kovového sodíku KOV Orbitaly jednotlivých atomů IZOLANT POLOVODIČ Eg

Pásová teorie – dopování polovodičů Umělé bodové poruchy: Si – B, P… Ga. As – Be, Si, Ge… Přirozené bodové poruchy: Vakance Antistrukturní Interstaciály Eg

Transport - Rozptyl Dráha (rozptyl) elektronu: Mechanismy rozptylu: Větší koncentrace log m Ø Na kmitech mřížky (fonony) Ø Na ionizovaných příměsích Ø Na neionizovaných příměsích a strukturních poruchách ~T 3/2 Ionizované příměsi ~T-3/2 Mřížkový rozptyl log T

Transport – Elektrická vodivost d. V Transport náboje v látkovém prostředí: S I dl elektron! Mikroskopický pohled na Ohmův zákon: (kovy)

Transport – Tepelná vodivost Složky: Ø Mřížková (km) Ø Elektronová (ke) Franzův-Wiedemannův zákon (kovy): Lorenzovo číslo

Transport – Hallův jev B „Klasický“ Hallův jev: I d + + + Fe b UH - - - Fm Pozn. : neuvažujeme rozptyl. Dále: Ø Kvantový Ø Spinový Hallův rozptylový faktor + - EH

Termoelektřina – TE jevy 1. 2. 3. 2. p-typ Thomsonův Seebeckův Peltierův 3. ZAHŘÍVÁME + + - - n-typ p-typ - - + U - OCHLAZOVÁNÍ - + + + - - n-typ

Peltierův článek

Termoelektřina – TE materiály ZT-parametr Maximální účinnost TE generátoru Teplotní závislost Z a ZT-parametru pro vybrané materiály

Mottova rovnice aneb Dobrý termoelektrický materiál hustota stavů pohyblivost

Moderní TEs - Nanorozměr „Tam dole je spousta místa. “ (R. P. Feynman) nano – 10 -9 (1 nanometr = 0, 00001 m)

Termoelektřina – Aplikace Peltierův jev – chlazení: – součástek, krevní plasmy a sér, autocamping Seebeckův jev: – Měření: Teploty (termočlánky) – TE generátory: solární kolektory (nepřímá přeměna slunečního záření), vesmírné sondy Budoucnost: – Úplné či částečné nahrazení alternátoru, rodinné domky, hodinky, ? ? ? ?

Shrnutí - Závěr Co by jste měli vědět? Všechno! 1. 2. 3. 4. 5. Atom – orbitaly Pásová teorie – asi to tak bude Krystaly – fakt pěkný Transportní vlastnosti – hromada vzorců a obrázků Termoelektřina – to chci domů OTÁZKY? ? ?

Literatura – Použitá a Doporučená [1] Stephen Hawking: Stručná historie času v obrazech, ARGO 2002 (obrázek modelu atomu) [2] D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Vysokoškolská učebnice obecné fyziky, VUTIUM-PROMETHEUS 2006 (pěkně zpracovaný soubor knížek)

THE END Čestmír Drašar Ø cestmir. drasar@upce. cz, http: //kf. upce. cz Patrik Čermák Ø patrik. cermak@email. cz, www. pcermak. blog. cz Přednáška byla konána pod záštitou Fyzikálního klubu: www. fyk-spse. tk