CĂTEVA CONSIDERAŢII PRACTICE REFERITOARE LA …sfm.asm.md/ftm/vol2nr3-4/fizica si tehnica.pdf ·...
4
Fizică şi tehnica 55 FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 2, nr. 3-4, 2004 CĂTEVA CONSIDERAŢII PRACTICE REFERITOARE LA EFECTELE TERMOELECTRICE Prof. Paul KADLEC GRUPUL ŞCOLAR ”GHEORGHE LAZAR”, BAIA MARE Printre aplicaţiile cele mai importante pentru efectele termoelectrice amintim: a)-generatoare termoelectrice; b)-termocupluri; c)-refrigeratoare; d)-determinarea parametrilor electrici (conductivitate, forţa termoelectrică) la diferite cristale. Particularităţile structurii zonale a contactelor permit transformarea directă a energiei interne în energie electrică. Se ştie că tensiunea electromotoare Seebeck este dată de V T =α(T 2 - T 1 ), unde dT dV T = α depinde de natura perechii de metale aduse în contact, cât şi de temperatură: ( ) ( ) ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + = 3 2 3 3 n 2 3 n u 2 2 ln n 2mkT 2 ln A k h n mkT A n h n p p p µ µ σ α A depinde de mecanismul de împrăştiere a purtătorilor de sarcină şi are valoarea A=2 pentru sulfuri. Prin aproximări se ajunge la expresia: np 23 20 np 10 46 , 1 10 6 , 2 n µ σ α σ ⋅ ⋅ + ⋅ = . Dacă cunoaştem concentraţiile n n şi n p putem determina nivelul energiei Fermi W F şi energia activă W g : ( ) ( ) 2 3 n 3 Fu p p n u T m 2 2 h n ln T W ; e 1 k k n n ⋅ ⋅ ⋅ = + = = π µ µ σ ρ DETERMINAREA PARAMETRILOR ELECTRICI Α ŞI Σ Tensiunea termoelectrică deferenţială absolută α are semnul purtătorilor de sarcină electrică. Metoda cea mai simplă de determinare a tipului de conductibilitate sau a semnului purtătorilor de sarcină, care se bazează pe coincidenţa semnului lui α cu semnul purtătorilor de sarcină, este metoda termosondei. În vederea măsurătorilor au fost folosite probe pregătite în felul următor: din cristale mari (monocristale) s-au definit forme paralelipipedice la care s-au putut măsura cu o precizie sporită dimensiunile, care apar în expresia rezistenţei electrice S l R ρ = . S-au realizat probe din pulbere cristalină, trecută prin site cu ochiuri de 75 μm; 100 μm; 250 μm presată sub formă cilindrică cu Φ=5 mm şi l=7-8 mm. Probele au fost luate de la punctele de lucru ale Exploatării miniere Ilba, Herja. Măsurătorile s-au efectuat la temperatura camerei şi la temperatura de 1000 K şi s-a alcătuit un grafic. Iniţial s-a intenţionat să se determine coeficientul α, mărind treptat diferenţa de temperatură, dar măsurătorile dau erori mari dacă ∆T este prea mare. S-a studiat dependenţa forţei termoelectrice α în funcţie de temperatură menţinând ∆T=const.
Transcript of CĂTEVA CONSIDERAŢII PRACTICE REFERITOARE LA …sfm.asm.md/ftm/vol2nr3-4/fizica si tehnica.pdf ·...
Fizică şi tehnica 55
FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 2, nr. 3-4, 2004
CĂTEVA CONSIDERAŢII PRACTICE REFERITOARE LA EFECTELE TERMOELECTRICE
Prof. Paul KADLEC
GRUPUL ŞCOLAR ”GHEORGHE LAZAR”, BAIA MARE
Printre aplicaţiile cele mai importante pentru efectele termoelectrice amintim: a)-generatoare termoelectrice; b)-termocupluri; c)-refrigeratoare; d)-determinarea parametrilor electrici (conductivitate, forţa termoelectrică) la diferite
cristale. Particularităţile structurii zonale a contactelor permit transformarea directă a energiei
interne în energie electrică. Se ştie că tensiunea electromotoare Seebeck este dată de VT=α(T2-
T1), unde dT
dVT=α depinde de natura perechii de metale aduse în contact, cât şi de
temperatură:
( ) ( )⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡+−
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡+= 3
23
3n
23
nu22ln
n2mkT2lnAk
hnmkTAn
hn
pppµµ
σα
A depinde de mecanismul de împrăştiere a purtătorilor de sarcină şi are valoarea A=2 pentru sulfuri.
Prin aproximări se ajunge la expresia:
np
2320
np1046,1106,2n
µσασ ⋅⋅+⋅
= .
Dacă cunoaştem concentraţiile nn şi np putem determina nivelul energiei Fermi WF şi energia activă Wg:
( )( ) 2
3n
3
FuppnuTm 22
hnln T W ;e1
kknn
⋅
⋅⋅=+==
πµµσ
ρ
DETERMINAREA PARAMETRILOR ELECTRICI Α ŞI Σ
Tensiunea termoelectrică deferenţială absolută α are semnul purtătorilor de sarcină electrică. Metoda cea mai simplă de determinare a tipului de conductibilitate sau a semnului purtătorilor de sarcină, care se bazează pe coincidenţa semnului lui α cu semnul purtătorilor de sarcină, este metoda termosondei.
În vederea măsurătorilor au fost folosite probe pregătite în felul următor: din cristale mari (monocristale) s-au definit forme paralelipipedice la care s-au putut măsura cu o precizie
sporită dimensiunile, care apar în expresia rezistenţei electrice SlR ρ= .
S-au realizat probe din pulbere cristalină, trecută prin site cu ochiuri de 75 µm; 100 µm; 250 µm presată sub formă cilindrică cu Φ=5 mm şi l=7-8 mm. Probele au fost luate de la punctele de lucru ale Exploatării miniere Ilba, Herja. Măsurătorile s-au efectuat la temperatura camerei şi la temperatura de 1000 K şi s-a alcătuit un grafic.
Iniţial s-a intenţionat să se determine coeficientul α, mărind treptat diferenţa de temperatură, dar măsurătorile dau erori mari dacă ∆T este prea mare. S-a studiat dependenţa forţei termoelectrice α în funcţie de temperatură menţinând ∆T=const.
56 Fizică şi tehnica
FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 2, nr. 3-4, 2004
In zona geografică Baia Mare mărimile α şi σ au un rol deosebit în procesul de
preparare şi flotare a minereului. Determinarea lor duce la cunoaşterea concentraţiei de goluri şi electroni, a raportului nn /np şi a nivelului Fermi.
Diferenţa acestor concentraţii, precum şi raportul lor sunt răspunzătoare de proprietăţile de absorbţie ale mineralelor în raport cu o serie de reactivi de flotare. Teoria proceselor de tranziţie a electronilor prin suprafaţa de separare între baze se bazează pe cunoaşterea semnului şi a diferenţei de potenţial chimic al electronilor dintre componentele bazei lichide, pe de o parte, şi ale reţelei cristaline (nivelul Fermi), pe de altă parte.
Cunoaşterea raportului nn/np ne ajută la alegerea celui mai indicat reactiv cationic sau anionic care să se întărească pe mineral. Din aceste date pot fi determinate indirect valorile pentru energia de activare şi nivelul Fermi prin relaţiile:
kT
-W
0n
pgF
g
e ;nn
ln kT21
2W
W ⋅=−= σσ
A fost realizată o instalaţie pentru măsurarea tensiunii ce apare datorită gradientului de temperatură. Cu aceeaşi instalaţie se poate determina conductibilitatea şi forţa termoelectrică.
Părţile componente ale instalaţiei: criostatul cu suportul probei, instrumente electronice de măsurare, instalaţia de producere a vidului. Suportul probei a fost astfel conceput ca să permită studiul variaţiei rezistenţei electrice şi a conductibilităţii în funcţie de temperatură.
Probele au fost alese din bazinul minier Baia Mare, pe cât posibil monocristale şlefuite. Deoarece mineralele studiate sunt semiconductoare, principala sursă de erori o constituie rezistenţa de contact între probă şi punctul de măsură (sonda de măsură).
In cazul blendelor contactele cele mai sigure se obţin prin evaporarea în vid a zincului metalic pe probă şi depunere peste zinc prin difuzie a indiului.
Proba paralelipipedică este aşezată peste o foiţă de mică care acoperă întreaga platformă între electrozii de curent.
Electrozii de curent sunt confecţionaţi din tablă subţire din bronz fosforos şi cu forma arcuită să asigure contact perfect cu proba.
Pentru măsurarea temperaturii se folosesc termocupluri Cu-Ct cu Φ=0,08 mm. Temperaturile T1 ,T2 cu cuptoare electrice montate pe suprafaţă. Cuptorul este realizat din sârmă crom-nichel 0,15 mm sau tantal bifilar pe suport de porţelan. Alimentarea se face în curent continuu.
Câteva rezultate obţinute la Galena-Ilba. Proba cristale mari:
Fizică şi tehnica 57
FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 2, nr. 3-4, 2004
eV
cmcm
eV
cmcm
cmcm
42,0 W 25,1nn
1035,1n 0,08; Wg tipar;;V/k 225 ;106,5 :cristal:Ilba aCeleopirit
04,0 W 25,1nn
;109,22n
;1030n eV; 0,1 Wg tipar;V/k; 227 ;105 :Herja-Galele
eV 8,0 W;33,1nn
; 1018,5n ; 107,7n
Fn
p
314n
111-
Fn
p3p
313n
112-
Fn
p 312p
312n
==
⋅===Ω⋅=
==⋅=
⋅===Ω⋅=
==⋅=⋅=
−−
−
−−−
−−
µασ
µασ
Măsurătorile s-au făcut în intervalul 300 K-1000 K. Din măsuratorile efectuate se constată că valorile pentru σ şi α la probele tratate diferă de valorile obţinute la probele netratate. După tratare cu pirogalol (reducător cationic) σ scade, iar α creşte. La probele sfărâmate se constată că α scade, iar Wg creşte cu un ordin de mărime. Prin sfărâmare caracterul electric al suprafeţelor se schimbă şi de aceea se schimbă mult randamentul de flotare.
O concluzie foarte bună a fost că factorii electrici n
p
p
u
nln
2kT si
nn n
influenţează
randamentul extracţiei şi anume, cu cât aceşti factori au valori mai mari, cu atât randamentul
este mai mare. Atat p
n
nn
sicat α indică diferenţa dintre electroni şi goluri. Cu cât vom avea mai
mulţi purtători de sarcină electrică disponibili, cu atât vom avea mai multe legături disponibile din retele care participă în procesul de chemisorbţie.
Efectul Thomson se poate pune în evidenţă în mod calitativ astfel: Un fir de platina înroşit sub formă de U şi scufundat în var cu mercur. Mărim curentul
prin fir până se roşeşte şi apare o diferenţă de strălucire a celor doua fire A şi B.
Effectul Peltier Se ştie că atunci când printr-un conductor circulă curent electric există întotdeauna
efectul Joule, care nu poate fi eliminat decât la temperaturi joase. Observarea efectului Peltier este o problemă delicată şi greu de apreciat cantitativ. A fost realizată o combinaţie Sb şi Bi care dă cel mai bun efect. Sudarea lor reprezintă o problema: se face cu aparat de sudură ISA-1 Barlad cu flacară de oxigen-hidrogen în mediu protectiv sub apă. Sudurile s-au introdus în
58 Fizică şi tehnica
FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 2, nr. 3-4, 2004
incintă de sticlă care să reziste la variaţiile de temperatură, etanşietatea, volumul incintelor să fie sensibil egal.
Sudura care se încălzeşte în timpul trecerii curentului electric, încălzeşte aerul din
incintă şi împinge mercurul din tubul flexibil ce uneşte cele două incinte ca la un manometru diferenţial. Dacă se fac măsurători exacte pentru volum, presiune, temperatură şi se realizează izolarea adiabatică a incintelor de sticlă, se pot face aprecieri cantitative destul de precise. Cantitatea de caldură ce se degajă intr-o sudură la trecerea curentului electric este: tIQQ I ⋅⋅±= π .
Peltier efectulprin degajata caldura-t IJoule efectulprin dezvoltata calduraQ I
⋅⋅−
π
O demonstraţie calitativă relativ simplă se poate face cu elevii în clasă. Se ia un termocuplu Fe-Ct sau altă combinaţie. Sudurile se acoperă cu o cantitate mică de smoală, ceară sau altă substanţă cu temperatura de topire joasă şi căldura specifică mică. Sudura care se încălzeşte la trecerea curentului electric va topi mai repede bucata de substanţă aleasă.
BIBLIOGRAFIE: 1. Nicula Alexandru. Fizica semiconductoarelor şi aplicaţii. 2. Slater I. C. Phys. Rev., 103, 1631 (1956). 3. Newman R. Uspehi Fiz. Nauk, 72, 587 (1960). 4. Kadlec P. Lucrarea metodică–ştiinţifică pentru obţinerea gradului didactic I. 5. Magherusan Larisa. Efecte termoelectrice, Evrika, Nr. 7-8 (2003).
