Тензорезистивный эффект

Тензорезистивный эффект состоит в изменении электропроводности кристалла в результате его деформации. Деформация растяжения приводит к увеличению межатомного расстояния, деформация сжатия – к его уменьшению. В металлах увеличение межатомного расстояния приводит к увеличению длины свободного пробега электронов проводимости, а следовательно, к возрастанию электропроводности. В полупроводниках, как это видно из рис. 34.6, увеличение межатомного расстояния приводит к увеличению ширины запрещенной зоны . Согласно формуле (34.8), электропроводность при этом уменьшается.

Тензорезистор конструктивно представляет собой либо решётку, изготовленную из проволоки или фольги (из константана, нихрома, различных сплавов на основе , , ), либо пластинку из полупроводника, например . Тензорезистор механически жёстко соединяют (например, приклеивают, приваривают) с упругой диэлектрической подкладкой либо крепят непосредственно на исследуемой детали. Упругий элемент воспринимает изменения исследуемого параметра (давления, деформации узла машины, ускорения и т. п.) и преобразует их в деформацию решётки (пластинки), что приводит к изменению сопротивления терморезистора.

Эффект Зеебека

Физические явления, обусловленные взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках, называют термоэлектрическими явлениями. К ним относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Возникновение термоэлектрической ЭДС (ТЭДС) в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников или полупроводников, называется эффектом Зеебека. Пара разнородных, материалов, используемых для получения ТЭДС, назывется термопарой. ТЭДС (а вместе с ней и вызываемый ею электрический ток) обращается в нуль вместе с разностью температур спаев:

, (35.13)

где и – температуры горячего и холодного спаев, – коэффициент ТЭДС, зависящий от материалов термопары и от температуры. Эффект Зеебека наблюдается как для пар металлов, так и для полупроводников. Так для термопары сурьма – свинец . Термопара представляет собой прибор, непосредственно преобразующий тепловую энергию в электрическую. Мощные металлические термопары с успехом заменили бы тепловые электростанции, если бы не их низкий КПД (не более 0,5%). Значительно бóльшим КПД обладают полупроводниковые термопары. У них значительно больший коэффициент ТЭДС и меньше теплопроводность, что уменьшает тепловые потери – передачу тепла вдоль термопары от одного спая к другому, охлаждение нагреваемой части термопары внешней атмосферой. Полупроводниковые термоэлектрогенераторы используются для прямого преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую на космических аппаратах.

С повышением температуры уровень Фéрми у полупроводников как , так и типа смещается к середине запрещенной зоны. В результате зонная диаграмма искривляется, как это показано на рис. 35.38. ТЕДС равняется разности потенциалов точек и :

. (35.14)

Потенциальная энергия электрона, прошедшего по замкнутой цепи между точками и , уменьшается на величину , а кинетическая энергия его направленного движения, т. е. энергия электрического тока, возрастает на ту же величину.

С помощью термопары можно измерять температуру спая (или, точнее, разность температур между двумя спаями). Включенный в цепь гальванометр измеряет силу тока , где – полное сопротивление цепи. Отсюда определяется , а по ТЭДС – разность температур. Гальванометр можно, для данной термопары, проградуировать так, чтобы он показывал сразу разность температур. Если соединить несколько ( ) термопар последовательно в так называемый термостолбик (рис. 35.39) и нагревать спаи, выведенные в одну сторону, точность измерений повышается в раз. Термостолбиком, подключенным к точному гальванометру, можно обнаружить горящую свечу на расстоянии порядка километра или измерить интенсивность света звезды.

35.19. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье состоит в том, что при пропускании тока по цепи, составленной из нескольких проводников, в дополнение к джоулевому теплу , в одном из спаев выделяется, а в другом поглощается некоторое количество тепла

, (35.15)

где – сила тока, – время его пропускания, – коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих веществ и от температуры. При изменении направления тока меняется знак .

Коэффициент Пельтье имеет наибольшее значение в случае контакта двух полупроводников с различным типом проводимости. На рис. 35.40 на левом переходе электроны и дырки, поддерживая ток в указанном на рисунке направлении (слева направо), движутся навстречу друг другу. Встретившись, они рекомбинируют, т. е. электрон из зоны проводимости занимает вакансию в валентной зоне. При этом энергия электрона уменьшается на величину ширины запрещенной зоны . Выделившаяся энергия поглощается атомами решетки, что приводит к повышению температуры спая. На правом переходе электроны и дырки отсасываются внешним электрическим полем от границы раздела и области. Термодинамическое равновесие в распределении электронов по энергиям нарушается и поэтому здесь чаще происходят процессы рождения пар электрон – дырка, чем их рекомбинация. Энергия, необходимая для рождения пары, т. е. для перебрасывания электрона из валентной зоны в зону проводимости, берется у кристаллической решетки. В результате температура правого спая понижается.

Эффект Пельтье используется в микрохолодильниках, предназначенных для охлаждения микросхем компьютеров, стабилизаторах температуры кварцевых генераторов и др. Для охлаждения деталей, находящихся в замкнутом объеме, (см. рис. 35.41) выбирается такое направление тока, при котором температура спаев, находящихся в этом объеме, понижается.

Эффект Томсона

Эффект Томсона состоит в выделении или поглощении тепла в проводнике с током, вдоль которого имеется перепад температуры, происходящем помимо выделения джоулевого тепла . Количество тепла, выделяющееся вследствие эффекта Томсона за время на участке проводника с перепадом температуры при силе тока , равно

, (35.16)

где – коэффициент Томсона, зависящий от материала проводника.

Знак тепла Томсона зависит от относительного направления тока и градиента температуры. Если направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, то при переходе из более нагретого участка в более холодный электроны тормозятся и передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется тепло). При обратном направлении тока электроны переходят из более холодного участка в более горячий. В процессе установления теплового равновесия с решеткой электроны забирают у нее часть энергии, в результате чего температура решетки снижается (поглощается тепло).

ГЛАВА 36. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АТОМНОГО ЯДРА

36.1. Размер, состав и заряд атомного ядра

Атомное ядро состоит из элементарных частиц протонов и нейтронов. Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя m_р = 1,6726×10^{-27 кг. Нейтрон (п) — нейтральная частица с массой покоя m}_n= 1,6749×10^{-27 кг. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.}

Атомное ядро характеризуется зарядом Zе, где Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z = 1 до 107.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: ^А_ZХ, где Х — символ химического элемента, Z — атомный номер (число протонов в ядре), А – массовое число (число нуклонов в ядре).

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, от которого в свою очередь, зависят химические свойства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми зарядом Z, но разными массовыми числами А (т. е. с разными числами нейтронов N=А-Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z —изобарами. Например, водород (Z=1) имеет три изотопа: (протий, дейтерий, тритий), олово десять, и т. д. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода), определяющимися в основном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента. Примером ядер-изобар могут служить ядра ¹⁰₄Ве, ¹⁰₅В, ¹⁰₆С. В настоящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z, либо А, либо тем и другим.

Радиус ядра задается эмпирической формулой

r = r₀А^1/3, (36.1)

где r₀=(1,3÷1,7)×10^-15м. Однако при употреблении этого понятия необходимо соблюдать осторожность (из-за его неоднозначности, например из-за размытости границы ядра). Из формулы вытекает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (10¹⁷ кг/м³).