Қатты дененің физика элементтері

б  және  в  жағдайларында (3-сур.) валенттік зонаның деңгейлері электрон электрондармен толық толтырылған – зона толған. Электронның энергиясын арттыру үшін, оған тыйым салынған зонаның енінен  ΔЕ  кем емес энергия мөлшерін беру керек. электр өрісі (кристалдың электрлік тесілуі болмайтын кернеулікте) мұндай энергияны электрондарға бере алмайды. Мұндай жағдайда кристалдың электрлік қасиеттері тыйым салынған зонаның  ΔЕ  енімен анықталады. Егер бұл ен үлкен болмаса (оннан бір электроновольт), жылулық қозғалыстың энергиясы, электрондардың бір бөлігін жоғары еркін зонаға ауыстыруға, жеткілікті болады. Бұл электрондар, металдағы валенттік электрондар тұрған жағдайға ұқсас күйде болады. Еркін зона олар үшін өткізгіштік зона болып саналады. Бір мезгілде валенттік зонадағы электрондардың жоғары босаған орындарға ауысу мүмкіндіктері туады. Мұндай затты өзіндік жартылай өткізгіш деп атайды.

Егер тыйым салынған зонаның  ΔЕ  ені үлкен болса (бірнеше электроновольттай), жылулық  қозғалыс еркін зонаға едәуір электрондардың санын лақтырып тастай алмайды. Бұл жағдайда кристалл диэлектрик болып саналады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ӘРТҮРЛІ МАТЕРИАЛДАН  ЖАСАЛҒАН ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ  

    ТҮЙІСУ  ҚҰБЫЛЫСТАРЫ

2.1. Түйісу потенциалдар  айырымы

Екі металл   пластиналарды тығыз жанастырайық (4-сур.).    Металдарда

                                      

                                                              4-сур.

еркін электрондар хаосты қозғалыста болатындықтан, пластинкалардың  жанасу беттері арқылы электрондардың диффузиясы басталады. Егер жанасатын металдар бірдей және олар бір температурада тұрса, онда тек электрондармен ғана алмасу жүреді, өйткені электрондардың бір пластинкадан екінші пластинкаға өту шарттары бірдей болады.

Әртүрлі металдан жасалынған екі пластинкаларды жанастырайық. Бұл пластиналарда көлем бірлігінде еркін электрондардың саны әртүрлі, яғни еркін электрондардың концентрациясы әртүрлі. Айталық  Б  металында электрондардың концентрациясы, А  металға қарағанда көп болсын. Сонда  Б  металдан  А  металға, қарама-қарсы бағытқа қарағанда, көп электрон өтеді.

Егер электрондардың зарядтары болмаса, онда бұлардың диффузиясы, екі пластинкадағы электрондардың концентрациялары теңескенге дейін жүрер еді. Электронда зарядтың болуы бұл кескінді өзгертеді.

Жанасқанға жейін металл пластинкалар электр нейтраль еді. Олар түйіскен кезде Б металы электрондарын жоғалтып оң зарядталады, ал  А металы электрондарды қабылдап теріс зарядқа ие болады. Сондықтан пластинкалар арасында, электрондардың теңдей өтпеуі себептен, потенциалдар айырымы пайда болады. Әртекті металдар жанасқан кезде пайда болатын потенциалдар айырымын, түйісу потенциалдар айырымы деп атайды. Бұл потенциалдар айырымы электрондардың  Б металдан  А  металға көшуіне қарсылық жасайды.

Металдар жанасқаннан  кейін алғашқы қысқа уақыт  аралығында,

 

электрондардың концентрацияларының  айырмашылығы пайда болған электр өрісіне  қарағанда,электрондарға артық әсер етеді, сондықтан электрондар көбінесе  Б металдан  А металға өтеді. Бұл кезде электрондардың концентрациялар айырымы азайып, түйісу потенциалдар айырымы артады. Бұл процесс металдардың түйісу беті арқылы екі жақты өтетін электрондардың сандарының динамикалық тепе-теңдігі орнағанға дейін жүреді.

Әрбір екі металл үшін бірдей температурада динамикалық  тепе-теңдік кезінде түйісу потенциалдар айырымы ең үлкен мәнге ие болады. Түйісу потенциалдар айырымы туралы сөз болғанда оның максимал мәні айтылады. Металдарда электрондардың концентрацияларының айырымы вольттің жүзден бір бөлігіндей ғана потенциалдар айырымын жасай алады.

Температура артқан кезде, екі металдағы еркін электрондар жылдам қозғала бастайды; концентрациясы артық металда бұл жылдамдық артығырақ болады. Ал бұл қарама-қарсы бағытта өтіп жатқан электрондардың сандарын өзгертіп, динамикалық тепе-теңдікті бұзады. Б металдан  А  металға өтіп жатқан артық электрондар қайтадан пайда болады, бұл түйісу потенциалдар айырымының  артуына алып келеді. Мұндай арту келесі динамикалық тепе-теңдік орнағанға дейін жүреді. Сондықтан, түйісу потенциалдар айырымы температураға тәуелді, жанасатын металдардың температурасы артқан кезде өсіп отырады.

Тәжірибенің көрсетуі бойынша, екі металдың әрбірінде берілген температурада түйісу потенциалдар айырымы тұрақты және олардың  араларында басқа металл барма, немесе тікелей жанаса ма, оған тәуелді емес  (5-сур.).

                             

                                                         5-сур.

2.2. Термоэлектрлік құбылыс

Енді түйісу потенциалдар айырымы  электр қозғаушы күшке себепті бола ала ма, соны қарастырайық. Егер әртүрлі  металдан тұйық тізбек жасап, оған

сезімтал гальванометр жалғастырсақ, онда оның тілшесі ауытқымайды. Бұл  тізбекте электр қозғаушы күштің жоқ  екендігін білдіреді.

Демек, жанасатын металдардың температурасы  бірдей болған кезде, түйісу потенциалдар айырымы, электр қозғаушы күш жасай алмайды.

Бұл қорытындыға басқаша жолмен де келуге болады. В  және  Д  нүктелерінде түйіскен, екі  А  және  Б  металдан тұратын тұйық тізбекті қарастырайық    (6-сур.).   Егер  А металы   жанасқан   кезде   теріс,   ал  Б – оң

                                                                

                                                          6-сур.

зарядталса, онда түйісу потенциалдар айырымы электрондарды  Д  түйісуде сағат тілінің бағытымен, ал  В  түйісуде сағат тілінің бағытына қарама-қарсы орын ауыстырады.  В  және  Д  түйісі потенциалдар айырымы бірдей болып және қарама-қарсы бағытталғандықтан, ешқандай ток жүрмейді.

Егер  В  және  Д түйісулерде температуралар әртүрлі болса, онда бұл көрініс өзгереді. Д нүктесіндегі температураның артуы, Д түйісу арқылы Б-дан А-ға қарай электрондардың қосымша ауысуына алып келеді. Бұл жерде А металының Д ұшында электрондардың концентрациясы, В ұшына салыстырғанда артық болады да, электрондар А металында Д-дан В-ға қарай бағытта орын ауыстырады. Бұл А металының В ұшында электрондардың тығыздығының артуына алып келеді, ал Д ұшында электрондардың тығыздығының кемуіне алып келеді. Сонда Б металында электрондар В-дан Д-ға қарай орын ауыстыра бастайды. Бұл В түйісуіндегі динамикалық тепе-теңдікті бұзады, өйткені В түйісу төңірегінде А металындағы электрондардың тығыздығы артады, ал Б металда – кемиді. Бұл кезде электронда В түйісу арқылы А-дан Б-ға қарай өте бастайды.

Сонымен, егер әртүрлі металдардың  түйісулер температуралары бірдей болмаса, онда оларда электрондардың бағытталынған қозғалысы пайда болады, яғни мұндай тізбекте ток жүреді. Бұл тізбекте электр зарядтарына энергия беретін электр қозғаушы күші пайда болатындығын көрсетеді. Бұл жағдайда, электр энергиясы Д түйісудегі металдарды қыздыруға жұмсалынған энергияның есебінен алынады.

Әртүрлі металдардан құрастырылған, олардың түйісулерінде әртүрлі  температура болғанда тізбекте пайда  болатын электр қозғаушы күшін, термоэлектрлік қозғаушы күш деп атайды. Термоэлектрлік қозғаушы күшінің шамасы жанасушы металдардың тегіне және олардың түйісулерінің температуралар айырымына байланысты. Тәжірибенің көрсетуі бойынша, ол көрсетілген температуралар айырымына пропорционал.

Кейбір жағдайларда бұл ережеден ауытқулар байқалады, мұны температура  аса жоғарылағанда электрондардың тығыздығының өзгеруімен түсіндіруге болады. Термоэлектрлік қозғаушы күштің шамасы өте аз, әртекті металдардың бірігу температураларының айырымы бір градус болғанда вольттың бірнеше жүз-мыңдаған бөлігі шамасына жетеді.

Екі әртекті металдардың ұштары дәнекерлеп жалғасқан және жылу берудің есебінен электр энергиясын жасаушы аспапты термопара, немесе термоэлемент деп атайды. Термопара электр энергиясының көзі болып саналады. Сыртқы тізбекті бұл ток көзіне жалғастыру үшін металдарды бір нүктесінде үзеді, оның бос ұштары полюстерге айналады. Кейде металдардың ұштарының бір жұбын ғана дәнекерлейді, ал екінші ұшын бос қалдырады. Сонда металдардың бос ұштары полюстер болып шығады (7-сур.).

                  

                                                                 7-сур.

2.3. Пельтье эффектісі

Тәжірибенің көрсетуі бойынша, өткізгіштің  көлемінде токтың бөліп шығатын  Джоуль-Ленц жылуынан басқа, әртүрлі өткізгіштердің түйісуінде, егер бұл өткізгіштер алғашында бірдей температурада тұрса да, олардың түйісу аймағында жылулық құбылыстар болады. Бұл түйісуде ток жүрген кезде, токтың бағытына байланысты жылудың бөлінуі немесе жұтылуы болады, түйісу аймағы не қызады, не салқындайды. Бұл құбылыс Пельтье эффектісі деп аталынады.

Пельтье эффектісін 8 – суретте көрсетілген тәжірибе арқылы демонстрациялауға болады. Мұнда 1 және 2 – бір-бірімен жалғасқан екі әртүрлі

                                   

                                                    8-сур.

өткізгіштерден жасалынған өзектер. Өзектер шыны баллонның ішіне ауа кірмейтіндей тығыз орналастырылған, ол баллон горизонталь Т түтікшемен жалғасқан және түтікшенің ішіне су тамшысы ендірілген. Шыны баллон атмосферамен К краны арқылы жалғастырылып немесе онан бөлініп тасталына алады, сөйтіп бұл газ термометрі қызметін атқарады. Өткізгіштердің жалғасқан жері қызған кезде баллонның ішіндегі қысым артып, су тамшысы оңға қарай ығысады; дәнекерленген орын салқындаған кезде тамшы кері бағытқа қарай қозғалады. Тәжірибе үшін сурьмадан (Sb) және висмуттан (Ві) жасалынған өзектер алған қолайлы. Токтың бағыты Sb-дан Ві-ге қарай болғанда дәнекерленген орын қызады.

Дәнекерленген орындағы  Q_n шығатын не жұтылатын Пельтье жылуы, түйісу ауданы арқылы өтетін толық зарядтың  q шамасына пропорционал

                                                    Q_n = П_q = ПIt

П коэффициенті жалғасатын өткізгіштердің тегіне және температурасына  тәуелді, оны Пельтье коэффициенті деп атайды.

Пельтье жылуының табиғаты былай түсіндіріледі. Әрбір электрон өзінің қозғалысында заряд қана тасымалдамай, өзіне тән энергия да тасымалдайды. Сондықтан электр тогы болған кезде өткізгіште белгілі-бір энергия ағыны пайда болады. Бұл мына жағдайда да, өткізгіштің барлық нүктелерінде температура бірдей және жылу өткізгіштіктік салдарынан энергия ағыны жоқ кезде де, пайда болады. Энергия ағыны электрондардың қозғалыс бағытымен сәйкес келеді, яғни ток тығыздығының бағытына қарама-қарсы.

Өзгермейтін ток тығыздығында әртүрлі өткізгіштерде энергия ағыны әртүрлі. Сондықтан, 1 өткізгіштегі түйісу жазықтығына келетін энергия ағыны, 2 өткізгіштегі түйісу жазықтығынан кететін энергия ағынына тең болмайды. Осы энергиялардың айырмашылығы Пельтье жылуы болады.

 

2.4. Томсон эффектісі

Термоэлектрлік құбылыстарды зерттей  отырып, Томсон мынандай қорытындыға келді, егер өткізгіш біртекті болса да және ол біртекті қыздырылмаса, бұл өткізгіштен ток жүрген кезде жылу шығару немесе жұтылу болады, ол Джоуль-Ленц жылуына қосылады немесе одан алынады. Бұл құбылыс Томсон эффектісі деп аталынады, дәлірек айтсақ түйісу құбылысына жатпайды. Алайда оның пайда болуы түйісуде болатын құбылыстармен тығыз байланысты.

Томсон эффектісін бақылау үшін 9-сур. қызмет етеді. Бірдей материалдан жасалынған  1  және  2  өткізгіштер   ток тізбегіне жалғасқан,   ал

                                 

                                                        9-сур.

өзектердің ұштары әртүрлі  температураларда ұсталынып тұрады (мысалы, 100 және 0⁰ С). Өзектерде температура градиенті ΔТ / Δх пайда болады және жылу ағыны басталады. Бір өзекте токтың бағыты және температура градиенті бірдей, ал басқасында – қарама-қарсы. Тәжірибеде, ток жүрмеген кезде  а  және

б  нүктелеріндегі температуралар айырмашылығын өлшеу үшін термопара  түйісу ұшы орналастырылады. Ток  жүрген кезде  а  және  б  нүктелерінің температуралары әртүрлі болады, мұнан бір өзекте Джоуль-Ленц жылуына қосымша жылу бөлінетіндігін, ал басқа өзекте жылу жұтылатынын (Томсон эффектісі) көрсетеді.

Томсон эффектісінің таңбасы әртүрлі өткізгіштер  үшін әртүрлі. Мысалы, висмут және цинкте, егер жылу ағыны мен ток бағыты сәйкес келгенде, жылу бөліну бақыланады. Бірақ дәл осындай жағдайда темірде, платинада, сурьмада жылу жұтылу бақыланады.

Томсон эффектісі өткізгішті қыздырған кезде, оның қасиетінің өзгеруімен түсіндіріледі. Алғашқы біртекті өткізгіш біртекті қыздырылмаған кезде біртекті болмай қалады және сондықтан Томсон эффектісі мәні бойынша өзіндік Пельтье құбылысы болып саналады, тек мұнда өткізгіштердің біртекті еместігі өткізгіштердің химиялық құрамының әртүрлілігінен емес, температуралардың әртүрлілігінен  болады.

 

2.5. Термоэлектрлік құбылыстарды  пайдалану

Термоэлектрлік құбылыс  температураны өлшеу үшін кең  түрде пайдаланылады. Бұл үшін термоэлементтер (термопаралар) қызмет етеді. Техникалық   термопараның   схемасы  10 – суретте   көрсетілген.   Ол  әртүрлі

металдан жасалынған екі өткізгіштен  1 және 2 тұрады, олардың ұштары бір-бірімен денекерленген (1 түйісу). Екі өткізгіште, түйіскен жеріне химиялық әсерден сақтау үшін, фарфор түтікшеге  Т  орналастырылған. Екінші түйісу ұшы (ІІ) өзгермейтін температурада ұсталынып тұрады. а және б  ұштарын милли вольтметрге жалғастырады. Температуралардың артықшылығы өте жоғары, не өте төмен температураларды да өлшей алады.