Тепловая генерация, фотогенерация, генерация под действием корпускулярного излучения, ударная и туннельная генерация. Тепловая генерация

Тепловая генерация, фотогенерация, генерация под действием корпускулярного излучения, ударная и туннельная генерация

Существуют следующие виды генерации:

Термогенерация – возникает под действием увеличения температуры.
Полевая генерация – возникает под действием электрического поля.

а) ударная (лавинная) генерация;

б) туннельная генерация;

Фотогенерация – возникает под действием света.
Корпускулярная – возникает под действием заряженных частиц.

Механизм тепловой генерации носителей тока в полупроводниках связан с рекомбинацией носителей. Он осуществляется также либо путем переходов носителей типа “зона-зона”, либо посредством центров рекомбинации – генерации, но в направлении, противоположным процессу рекомбинации. При тепловом равновесии скорости этих взаимно противоположных процессов одинаковы, т.е. сколько носителей образуется в единицу времени, столько же и рекомбинирует.

Рисунок 5 Тепловая генерация

Однако наряду с тепловой генерацией при работе полупроводниковых приборов используются и другие механизмы создания избыточных носителей тока, которые не ассоциируются с процессами рекомбинации.К ним следует отнести генерацию под действием ионизирующего излучения, и аналогичный этому процесс генерации под действием электромагнитного излучения. Схемы указанных механизмов генерации приведены на рис.6.

Рис.6. Генерация носителей под действием электромагнитного излучения (фотогенерация и генерация под действием заряженных частиц).

Генерация под действием электромагнитного излучения или, чаще, под действием фотонов (фотогенерация), возможна в том случае, если энергия фотонов достаточна для создания пары электрон-дырка. Т.е. энергия фотона, необходимая для образования пары, должна превышать ширину запрещенной зоны. Разность энергий фотона и энергии, необходимой для образования пары Eph-Eg, отдается электрону и дырке в виде их кинетической энергии.

При генерации под действием ионизирующего излучения, как правило, излучения заряженных частиц с высокой энергией, также требуется энергия, превышающая ширину запрещенной зоны. Однако энергия заряженных частиц часто существенно выше величины Eg,, поэтому под действием заряженной частицы образуется множество электронно-дырочных пар. Этот механизм генерации используется при работе полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения. Поскольку количество пар, создаваемых одной частицей, зависит от энергии частицы, то данные детекторы позволяют производить измерения энергии частиц и их количества.

И, наконец, есть еще один механизм генерации, противоположный Оже - рекомбинации. Это механизм ударной генерации. Ударная генерация осуществляется дырками или электронами полупроводника, которые под действием приложенного к полупроводнику электрического поля приобретают энергию, достаточную для образования пары носителей. При взаимодействии таких электронов или дырок с атомами матрицы кристалла, возможна передача атому энергии, достаточной для разрыва ковалентной связи и образования пары. Иллюстрацией этого механизма генерации служит приведенный ниже рисунок.

Ударная генерация может быть и лавинной, когда вновь образованные носители в свою очередь под действием электрического поля приобретают энергию, достаточную для образования следующей пары носителей.

Рис.7.Ударная генерация и лавинное умножение носителей в сильном электрическом поле.

среда, 4 сентября 2002 г.

Шуренков В.В.

studfiles.net

генерация тепла - это... Что такое генерация тепла?

генерация тепла

тепла ґенерація

Словарь металлургической терминов. 2015.

генераторный газ
генерация

Смотреть что такое "генерация тепла" в других словарях:

одновременная генерация тепла и электричества — — [http://www.eionet.europa.eu/gemet/alphabetic?langcode=en] EN cogeneration Usually the generation of heat in the form of steam, and the generation of power in the form of electricity. Combined heat and power plants are able to convert a… … Справочник технического переводчика
тепловые потери тепловых установок, генерация (производство) — Тепловые потери установок производства тепла как при эксплуатации, так и в состоянии ожидания , а также тепловые потери, обусловленные неидеальным регулированием расхода тепла, включая возвратные тепловые потери на источнике. [ГОСТ Р 54860 2050]… … Справочник технического переводчика
тепловые потери тепловых установок, генерация (производство) — 3.1.40 тепловые потери тепловых установок, генерация (производство) (heating system thermal losses, generation): Тепловые потери установок производства тепла как при эксплуатации, так и в состоянии «ожидания», а также тепловые потери,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Эндогенные процессы — см. Процессы эндогенные. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978. Эндогенные проц … Геологическая энциклопедия
Камин — Необходимо перенести в эту статью содержимое статьи Биокамин и поставить оттуда перенаправление. Вы можете помочь проекту, объединив статьи (cм. инструкцию по объединению). В случае необходимости обсуждения целесообразности объединения, замените… … Википедия
Эндогенные процессы — геологические процессы, связанные с энергией, возникающей в недрах твёрдой Земли. К Э. п. относятся Тектонические движения земной коры, Магматизм, Метаморфизм горных пород, сейсмическая активность. Главными источниками энергии Э. п.… … Большая советская энциклопедия
БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — естественные электрические процессы в живых организмах, лежащие в основе многих физиологических и поведенческих реакций. К проблемам биоэлектричества относят также все эффекты, возникающие в организме на различных его уровнях при воздействии… … Энциклопедия Кольера
ГОСТ Р 54860-2011: Теплоснабжение зданий. Общие положения методики расчета энергопотребности и эффективности систем теплоснабжения — Терминология ГОСТ Р 54860 2011: Теплоснабжение зданий. Общие положения методики расчета энергопотребности и эффективности систем теплоснабжения оригинал документа: 3.1.1 аккумулированное тепло (heat gains): Сохранение и накопление тепла в… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Электроэнергетика — Тепловая электростанция и ветрогенераторы в Германии Электроэнергетика … Википедия
Промышленность — (Industry) История промышленности Основные отрасли промышленности в мире Содержание Содержание Раздел 1. История развития . Раздел 2. Классификация промышленности. Раздел 3. промышленности. Подраздел 1. Электроэнергетика. Подраздел 2. Топливная… … Энциклопедия инвестора
тепловые потери — 3.9 тепловые потери (heat loss): Часть тепловой энергии от трубопровода, резервуара или оборудования, выделяемая в окружающую среду. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

metallurgy_ru_uk.academic.ru

Генерация носителей заряда - Физическая энциклопедия

ГЕНЕРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА в полупроводниках - появление электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Г. н. з. происходит под действием теплового движения атомов кристаллич. решётки (тепловая генерация), а также внеш. факторов - освещения (оптич. генерация), облучения потоками частиц, сильных электрич. полей и др. Мерой Г. н. з. является скорость генерации - число носителей, возникающих в единице объёма за единицу времени. Тепловая Г. н. з. в равновесном полупроводнике уравновешивается их рекомбинацией (см. Рекомбинация носителей заряда), поэтому скорость тепловой генерации G равна скорости рекомбинации, т. е.

, где п0 - равновесная концентрация носителей, t- время жизни неравновесных носителей.

В случае оптич. Г. н. з. концентрация неравновесных носителей может превосходить равновесное значение на много порядков. Межзонное поглощение света, происходящее, когда энергия кванта превосходит ширину запрещённой зоны , приводит к генерации электронно-дырочных пар , примесное поглощение - к генерации электронов

или Дырок

. Скорость оптич. Г. н. з. при

зависит от интенсивности света. При малых интенсивностях эта зависимость обычно линейна и описывается ф-лой

где I0 - плотность потока световых квантов (число квантов, падающих на единицу площади за единицу времени), - коэф. поглощения света, х - глубина проникновения, - квантовый выход (коэф., определяющий, какая доля поглощённых квантов приводит к появлению носителей заряда). При

, т. к. внутризонное поглощение света не приводит к появлению новых носителей. При

возможно

, т. к. из-за взаимодействия между электронами один фотон может возбудить более одного электрона.

При (рентг. или-излучение) Г. н. з. состоит из первичного акта ионизации , при к-ром возникают носители большой энергии , и множественных процессов ударной ионизации, в к-рых образуются новые электронно-дырочные пары. При этом

, однако

. Последнее связано с необходимостью сохранения импульса в элементарных актах рождения электронно-дырочных пар с возбуждением колебаний решётки. При.

часто пользуются приближённой ф-лой

. Аналогичным образом протекает Г. н. з., если вместо фотонов использовать заряж. частицы большой энергии

(электроны, протоны, a-частицы и т. п.; см. Полупроводниковый детектор частиц).

При высоких интенсивностях света (лазерное излучение), когда существенны ''процессы многоквантового поглощения света, зависимость скорости Г. н. з. от интенсивности становится нелинейной (см. Многофотонные процессы, Полупроводниковый лазер).

Г. н. з. происходит также в присутствии сильного электрич. поля вследствие ударной ионизации и туннельных переходов электронов в зону проводимости из валентной зоны (т. н. пробой Зенера) и с примесных уровней.

Лит.: Рывкин С. M., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, M., 1963; Вавилов В. С., Действие излучений на полупроводники, M., 1963; Аут И., Генцов Д., Герман К., Фотоэлектрические явления, пер. с нем., M., 1980. Э. M. Эпштейн.

Предметный указатель >>

www.femto.com.ua

принцип работы, применение, как сделать

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

1 – медный проводник.
2 – проводник из сурьмы.
3 – стрелка компаса.
А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

Варочной поверхности.
Обогревателя.
Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

www.asutpp.ru