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

Hlavní body Základní „objekty“ FPL Transportní vlastnosti 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: Typu g – možné (dole): Typu h – velmi složité.

Struktura pevné fáze

Krystalové Mřížky Poruchy: Plošné Čárové (dislokace) Bodové: Vakance Interstaciál Elementární buňka Krystal NaCl

Pásová teorie pevných látek N atomů = N hladin Orbitaly jednotlivých atomů Pásy kovového sodíku Kondenzace sodíkových atomů – vznik energetických pásů r0 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

Pásová teorie pevných látek Orbitaly jednotlivých atomů Pásy kovového sodíku Eg KOV POLOVODIČ IZOLANT Eg

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

Transport - Rozptyl Dráha (rozptyl) elektronu: Mechanismy rozptylu: Na kmitech mřížky (fonony) Na ionizovaných příměsích Na neionizovaných příměsích a strukturních poruchách log m log T Ionizované příměsi Mřížkový rozptyl Větší koncentrace ~T3/2 ~T-3/2

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

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

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

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

Peltierův článek

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

Dobrý termoelektrický materiál 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 = 0,000000001 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, ?????????????

OTÁZKY??? Shrnutí - Závěr Co by jste měli vědět? Všechno! 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)

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