نیم رساناهایی که به سبب ضریب مقاومت گرمایی زیادشان بکار میروند، به مقاومتهای حساس به دما یا ترمیستور thermistors که از عبارت temperature sensitive resistors گرفته شده ، معروف هستند.
مقاومتهای حساس به دما در شاخههای مهندسی کاربردهای مهم و زیادی دارند: در کنترل خودکار ، فاصله سنجی و نیز در دماسنجهای خیلی دقیق و حساس بکار برده میشوند. دماسنجهای مقاومتی یا بارترها barertte دستگاهی است برای اندازه گیری چگالی شار تابشی که طرز کار آن بر پایه تغییر مقاومت الکتریکی پیل حساس نیم رسانایی در موقع گرم کردن آن استوار است)، را خیلی پیش در آزمایشگاهها بکار میبردند. ولی قبلا آنها را از فلز میساختند که به سبب محدودیت گسترده کاربردشان ، مشکلات زیادی به بار میآوردند. برای اینکه مقاومت بارتر را در مقایسه با مقاومت سیمهای رابط بالا ببرند، ناچار بودند بارتر را از سیم نازک و دراز بسازند. به علاوه تغییر مقاومت فلزات با دما خیلی کم است و از این اندازه گیری دما به کمک بارتر فلزی به اندازه گیری خیلی دقیق مقاومت نیاز داشت. بارترهای نیم رسانایی (ترمیستورها) این معایب را ندارند. مقاومت ویژه الکتریکی آنها آنچنان بالاست که یک بارتر میتواند فقط چند میلیمتر طول داشته باشد. با چنین ابعاد کوچکی ، ترمیستور خیلی زود به دمای محیط بیرون میرسد. همین امر به آن امکان میدهد که دمای اشیای کوچک (مثلا برگ گیاهان یا ناحیههایی روی پوست بدن) را اندازه بگیرد.
ترمیستورهای مدرن (ترمیستورهای نیم رسانا)
حساسیت ترمیستورهای امروزی چنان بالاست که تغییری به اندازه یک میلیونیم کلوین را میتوان به کمک آنها آشکار سازی و اندازه گیری کرد. این وضع عملی بودن کاربرد آنها را در دستگاههای جدید به جای پیلهای ترموالکتریک برای اندازه گیری شدت تابش خیلی ضعیف نشان میدهد. در ابتدا انرژی لازم برای آزاد شدن الکترون از حرکت گرمایی یعنی انرژی داخلی نیم رساناها ، تأمین میشد. ولی این انرژی را جسم میتواند در ضمن جذب انرژی نور به الکترون انتقال دهد. مقاومت چنین نیم رساناهایی بر اثر نور به مقدار زیادی کاهش مییابد. این پدیده را نور رسانش فوتو رسانش یا اثر فوتو الکتریکی ذاتی گویند. اصطلاح ذاتی در اینجا تأکید بر این واقعیت دارد که الکترونهای آزاد شده با نور ، مانند انتشار الکترون از فلز درخشانی که به “اثر فوتوالکتریک غیر ذاتی“ معروف است، مرزهای جسم را ترک نمیکنند. این الکترونها در جسم باقی میمانند و دقیقا رسانندگی آن را تغییر میدهند. دستگاههایی که بر پایه این پدیده ساخته میشوند را در مقیاس صنعتی برای دستگاههای اعلان و خودکار بکار میبرند (مانند دزدگیر و ...). فقط بخش کوچکی از الکترونهای آزاد نیم رسانا در حالت آزادند و در جریان شرکت میکنند. اما درست این است که بگوییم همین الکترونها بطور دائم در حالت آزادند و دیگران در حالت مقید. بر عکس ، در نیم رساناها همزمان دو فرآیند رخ میدهد: از یک طرف با صرف انرژی داخلی یا انرژی نورانی فرآیند آزادسازی الکترونها اتفاق میافتد. از طرف دیگر ، فرآیند ربایش الکترونهای آزاد ، یعنی ترکیب مجدد آنها با بعضی از یونهای باقیمانده (یعنی ، اتمهایی که الکترونهایشان را از دست دادهاند) مشاهده میشود. بطور متوسط ، هر الکترون آزاد شده فقط مدت کوتاهی (از 3-10 تا 8-10 ثانیه) آزاد میماند. همواره الکترونهایی وجود دارد که پیوسته جایشان را با الکترونهای مقید عوض میکنند. تعادل بین الکترونهای آزاد و مقید از نوع تعادل دینامیکی است.
Silicon nanowires may lead the way to converting waste heat into electricity, according to research reported yesterday in the journal Nature. Two separate teams, one at Caltech and the other at the University of California, Berkeley, reported that they could increase silicon's ability to convert heat into electric current by as much as 100 times.
The difference in temperature between two sides of a chip [red is hot, blue is cold] cause electrons to flow in a roughened silicon nanowire
The application could take surplus heat generated within mobile phones during use, or even from the human body when in standby and convert it to electricity.
Thermoelectric conversion relies on a difference between hot and cold areas in a device. Heat flowing from the hot side to the cold side creates current, which can be captured and used to power a device or stored for subsequent use. Bulk silicon has traditionally been considered a poor material for thermoelectric conversion, because its thermal conductivity is too high; heat travels across it so well that it's difficult to create the necessary temperature differential.
"If you were going to make a high-performance thermoelectric, you would never use silicon, because as a bulk material it's pretty lousy," says James Heath, a chemist who led the research at Caltech. He was surprised by his own results; he expected some increase in efficiency, but not as much as he got.
Thermoelectric conversion efficiency is measured by a number dubbed ZT. Several factors go into that number, and it can be increased both by lowering the thermal conductivity of a material and by increasing its electrical conductivity. Whereas bulk silicon at room temperature has a ZT of 0.01, the Berkeley team increased that to 0.4, and the Caltech team increased it to 0.6. That puts silicon nanowires about on par with bismuth telluride, the compound from which commercial converters are made despite the fact that it is relatively expensive and challenging to work with. Making thermoelectric devices out of silicon, which is abundant, cheap, and easily handled, could help create a new market for the devices.
Both research teams found that they could decrease silicon's thermal conductivity - and therefore increase the conversion efficiency - by fashioning the material into nanowires with diameters of 10 to 100 nanometers and introducing defects in the silicon that slowed the flow of phonons - the acoustic vibrations in the crystal lattice of a material that carry heat.
"Defects are important here," says Peidong Yang, a materials scientist at Berkeley. "They can block the phonon transport from one end to the other end, so the thermal conductivity can be drastically reduced."
Yang says his group engineered defects into the nanowires at three different length scales. First, by fashioning the bulk silicon into nanowires, they made the material very small compared with the phonons so that the size of the wires themselves affected how the phonons could move. They also made the surface of the wires rough, introducing a set of defects at a smaller scale. Finally, they doped the silicon with boron to introduce defects at an atomic level.
Heath induced a greater drop in thermal conductivity by making his nanowires even smaller than Yang's - only 10 to 20 nm in diameter. Normally, a wire would carry two types of phonons, he explains: one that causes the wire's diameter to expand or contract, and one that causes it to lengthen or shorten. Like a rubber band that gets thinner when stretched, the two work in opposition. But when the nanowires get small enough, the two types merge into a single type of phonon, and that slows down the heat transport even more.
An array of nanowires [green] convert heat from the temperature difference between two slivers of a microchip. Current in flowing through a heater [red] causes the temperature difference
Unfortunately, when Heath made the wires 10 nm wide, which gave him the best results for thermal conductivity, the electrical conductivity crucial to thermoelectric conversion also dropped.
Mildred Dresselhaus, a physicist at MIT who had predicted that using nanowires would lead to better thermoelectric conversion, says she's pleased with Yang's and Heath's research. Their reports "represent a significant advance in the field," she says. "The applications field is now taking off, and interest in the field by the science community has grown a lot in the last two to three years."
One of the easiest applications would be for recycling waste heat from computer chips into electricity. "You gain twice," says Heath. "Number one, you're getting rid of heat, which is bad in a laptop, and number two, you're gaining efficiency." He thinks that applications could come with just a couple of years' work.
Both teams are pressing ahead to see what they can achieve next. The researchers believe a material with a ZT of 3 or 4 would be very appealing commercially. Heath hopes to apply his findings to other materials that might start out with better properties than silicon and be improved further. He's doing work with silicon germanium, for instance, which has much lower thermal conductivity than pure silicon.
Cronin Vining, a consultant on thermoelectrics, says the commercial market for thermoelectric devices is very small at present but could grow with better materials. He says the nanowire work is impressive, but he's not ready to say that thermoelectrics could, for instance, help stem global warming by increasing the efficiency of power plants. "As they stand, their properties are not really good enough to be useful," Vining says. "But this is the very first result on silicon in 60 years that's of any interest at all."
تاریخچه
در سال 1802 پتروف (V.P.Petrof) کشف کرد که اگر دو تکه زغال چوب را به قطب های باتری بزرگی وصل کنیم و آنها را به هم تماس دهیم و سپس کمی از هم جدا کنیم شعله روشنی بین دو تکه زغال دیده می شود. و انتهای آنها که از شدت گرما سفید شده است نور خیره کننده ای گسیل می دارد. قوس الکتریکی هفت سال بعد دیوی (H.Davy) فیزیکدان انگلیسی این پدیده را مشاهده نمود و پیشنهاد کرد که این پدیده به احترام ولتا قوس ولتا نامیده شود.
آزمایش ساده
اگر بخواهیم در یک روش ساده ای ایجاد قوس الکتریکی را نشان دهیم باید دو تکه کربن را روی گیره قابل تنظیم سوار نمود (بهتر است که به جای زغال چوب معمولی میله خاصی که از کربن قوس ساخته می شود و با فشار دادن مخلوط گرافیت ، کربن سیاه و مواد چسبنده به وجود می آیند، استفاده شود).
چشمه جریان می تواند برق شهر هم باشد برای اجتناب ازاینکه در لحظه تماس تکه های کربن مدار کوتاه ایجاد شود باید رئوستایی به طور متوالی به قوس وصل شود.
معمولا برق شهر با جریان متناوب تغذیه می شود. ولی در صورتی که جریان مستقیم از آن عبور کند قوس پایدارتر است به طوری که یکی از الکترودها همیشه مثبت «آند)و دیگری همواره منفی «کاتد)است.
ماهیت قوس الکتریکی
در قوس الکتریکی الکترودها در اثر حرارت سفید رنگ می شود. ستونی از گاز ملتهب رسانای خوب الکتریکی بین الکترودها وجود دارد. در قوس معمولی این ستون نوری بسیار کمتر از نور تکه های کربن سفید شده از آزمایشهای مربوط به گرما گسیل می کنند. چون الکترود مثبت دمایش از الکترود منفی بیشتر است زود تر از بین می رود. در نتیجه تصعید شدید کربن صورت گرفته و در آن الکترود (الکترود مثبت) فرورفتگی به وجود می آید که به دهانه مثبت معروف است و داغ ترین نقطه الکترودهاست.
دمای دهانه در هوا و در فشار جو به 4000 درجه سانتیگراد می رسد. در لامپ های قوسی سازوکارهای منظم و خود کار خاصی برای نزدیک کردن تکه های کربن با سرعت یکنواخت وقتی با سوختن از بین می روند، مورد استفاده قرار می گیرند. برای اینکه سایش و خوردگی الکترود مثبت به خاطر دمای بالایش بیشتر است،برای همین همیشه الکترود کربن مثبت کلفت تر از الکترود منفی اختیار می شود.
دماهای بالا در قوس الکتریکی
قوس الکتریکی می تواند بین الکترودهای فلزی ساخته شده از آهن ، مس و غیره نیز بگیرد. در این حالت الکترودها به میزان زیادی ذوب و تبخیر می شوند و این عمل به مقدار زیادی آزمایشهای مربوط به گرما احتیاج دارد. به این دلیل دمای مرکز الکترود فلزی معمولا کمتر از دمای الکترود کربنی است (2000 تا 2500 درجه سانتیگراد).
قوسی که بین الکترودهای کربن در گاز فشرده ای قرار می گیرد (حدود 20atm) بالا رفتن دمای مرکز مثبت تا 5900 درجه سانتیگراد یعنی دما روی سطح خورشید را ممکن ساخته است. معلوم شده است که کربن در این حالت ذوب می شود. دمای باز هم بالاتری را می توان در ستونی از گاز و بخاری که از آن تخلیه الکتریکی می گذرد، به دست آورد.
بمباران شدید این گاز و بخار با الکترون ها و یون هایی که با میدان الکتریکی قوس شتاب گرفته اند دمای ستون گاز را 6000 تا 7000 درجه سانتیگراد می رساند. به این دلیل تقریبا تمام مواد شناخته شده در ستون قوس الکتریکی ذوب و تبخیر می شوند. و بسیاری از واکنش های شیمیایی که در دماهای پایین انجام شدنی نیستند، با قوس الکتریکی امکان پذیر می شوند. مثلا میله های چینی دیر گداز در شعله قوس به سهولت ذوب می شود.
چگونگی ایجاد تخلیه قوس الکتریکی
برای ایجاد تخلیه قوس الکتریکی به ولتاژ زیادی احتیاج نیست با ولتاژ 40 تا 45 ولت بین الکترود ها می توان قوس را به وجود آورد. از طرف دیگر جریان داخل قوس زیاد است. مثلا حتی در قوس کوچک جریان به 5 آمپر می رسد، در حالیکه در قوس های بزرگ که در مقیاس صنعتی به کار می روند جریان به صدها آمپر بالغ می شود. این به این معنا ست که مقاومت قوس پایین است و از این رو ستون گاز تابان رسانای الکتریکی خوبی است.
یونیزاسیون گاز با انرژی قوس الکتریکی
یونش شدید گاز با قوس الکتریکی به آن دلیل امکان پذیر است که کاتد قوس الکتریکی تعداد زیادی الکترون گسیل می داد. این الکترون ها با برخورد با گاز داخل شکاف تخلیه گازی آن را یونیزه می کنند. گسیل الکترونی شدید از کاتد از آنجا ممکن می شود که خود کاتد تا دمای بسیار بالایی گرم می شود (بسته به ماده از 2200 تا 3500). وقتی که الکترودهای قوس در ابتدا تماس داده شوند تقریباً تمام گرمای ژول که از الکترود ها می گذرد در ناحیه تماس که مقاومت بسیار دارد آزاد می شود.
به این دلیل انتهای الکترودها به شدت گرم می شوند که برای گیراندن قوس به هنگام جداکردن آنها کافی است آن وقت کاتد قوس توسط جریانی که از قوس می گذرد، در حالت التهاب می ماند. در این فرایند بمباران کاتد توسط یون هایی که به آن برخورد می کند نقش اصلی را ایفا می کند.
مشخصه جریان ولتاژ قوس الکتریکی
یعنی بستگی جریان الکتریکی در قوس الکتریکی به ولتاژ بین الکترودها ، ویژگی خاصی دارد. در فلزات و الکترولیت ها جریان متناوب با ولتاژ افزایش می یابد «قانون اهم). در صورتیکه برای رسانش القایی گازها جریان ابتدا با ولتاژ زیاد می شود، سپس اشباع شده و مستقل از ولتاژ است.
بنابر این افزایش جریان در تخلیه قوسی به اندازه مقاومت در شکاف بین الکترودها و ولتاژ بین آنها منجر می شود. برای اینکه تابانی قوس پایدار بماند رئوستا یا مقاومت الکتریکی قوی دیگری را باید به طور متوالی به آن بست.