CH425922A

CH425922A - Elektrisches Bauelement mit einem Festkörper, dessen thermomagnetische Eigenschaften ausgenutzt werden

Info

Publication number: CH425922A
Application number: CH1107664A
Authority: CH
Inventors: Wagini Herbert; Herbert Dr Weiss
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1963-11-08
Filing date: 1964-08-24
Publication date: 1966-12-15
Also published as: GB1076036A; DE1198883B; BE652621A; NL6408657A; US3343009A

Description

Elektrisches Bauelement mit einem Festkörper, dessen thermomagnetische Eigenschaften ausgenutzt werden Die Direktumwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und umgekehrt wird unter ande rem auf der Grundlage der Erscheinungen des See- beck- bzw. Peltiereffektes ausgeführt.

Diese soge nannten thermoelektrischen Umwandlungsmethoden unterliegen dem Carnot-Wirkungsgrad. Die besten, heute bekannten thermoelektrischen Materialien ha ben Effektivitäten, deren Produkt mit der absoluten Temperatur, welches thermodynamisch unbegrenzt ist, Werte bis um 1 hat. Trotz grosser Bemühungen scheint es nicht zu gelingen, thermoelektrische Ma terialien mit besseren Effektivitäten zu finden bzw. herzustellen.

Zur Lösung des Problems der direkten Energie umwandlung geht die Erfindung daher nicht von den thermoelektrischen, sondern von den thermomagneti- schen Effekten aus, die unter den Bezeichnungen Ettingshausen-Nernst-Effekt und Ettingshausen-Effekt bekannt sind und sich als Grundlage für die Herstel lung von Ettingshausen-Nernst-Generatoren bzw: Ettingshausen-Wärmepumpen anbieten.

Bisher be kannte thermomagnetische Verfahren dieser Art ha ben jedoch eine geringe Effektivität und unwirtschaft lichere Wirkungsgrade als die vorgenannten thermo- elektrischen Verfahren.

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem Festkörper, dessen thermomagnetische Eigenschaften ausgenutzt werden; dabei besteht der Festkörper aus einem Material mit einer von null ver schiedenen Hallbeweglichkeit, das im Inneren und/ oder an der Oberfläche Inhomogenitäten der elektri schen Leitfähigkeit aufweist. Diese können z.

B. aus elektrisch gutleitenden streifenförmigen Bereichen auf den senkrecht zum Magnetfeld liegenden Oberflächen des Festkörpers bestehen. Als Inhomogenitäten kön nen auch statistisch verteilte und ausgerichtete Ein- Schlüsse einer zweiten elektrisch gut leitenden Phase im Inneren des Festkörpers dienen.

Substanzen mit hohen Ettingshausen-Nernst- Effektivitäten bzw. Ettingshausen-Effektivitäten sol len möglichst eigenleitend sein bzw. eine schmale ver botene Zone haben. Weiterhin sind hohe und fast gleich grosse Beweglichkeiten der Ladungsträger er wünscht.

Hätten diese Beweglichkeiten genau gleiche Grösse, so wäre die Hallbeweglichkeit in der Eigen leitung null; im Realfall stimmen die Ladungsträger- Beweglichkeiten jedoch bei den Substanzen mit hohen thermomagnetischen Effektivitäten selten völlig über ein, so dass sich fast immer eine - wenn oft auch kleine - Hallspannung bzw. Hallbeweglichkeit ergibt.

Man hat neuerdings festgestellt, dass Halbmetalle, wie z. B. eine Wismut-Antimon-Legierung, relativ hohe thermomagnetische Effektivitäten besitzen. Für solche und ähnliche Materialien, die schon als Grund substanz eine hohe Effektivität aufweisen, eröffnet sich die Möglichkeit, den Wirkungsgrad durch Ein- und/oder Aufbringen von elektrisch gutleitenden Streifen wesentlich zu verbessern.

Zum Verständnis des Folgenden werden nun einige Angaben über die für die Beschreibung der Erfindung wichtigen elektrischen und thermischen Transportkoeffizienten im Magnetfeld gemacht. Diese sind an einem rechteckigen hinreichend langen Stab in Richtung der Primärursache (x-Achse) und dazu transversalem Magnetfeld (z-Achse) in einem recht händigen kartesischen Koordinatensystem wie folgt definiert:

spezifische elektrische Leitfähigkeit:
EMI0001.0073
Wärmeleitfähigkeit:
EMI0001.0074
isothermer Hall-Koeffizient: isothermer
EMI0002.0004
Ettingshausen-Nemst-Koeffizient:
EMI0002.0006
Ettingshausen-Koeffizient:
EMI0002.0008
Darin ist:

j = elektrische Stromdichte, c = Wär- mestromdichte, E =elektrisches Feld, B = magne tische Induktion. Der Index i charakterisiert isotherme Messbedingungen
EMI0002.0015
Bei einer zweiphasigen stabförmigen Substanz, in die also z. B. zueinander parallele Nadeln eingeschlos- sen sind, ergeben sich drei ausgezeichnete Orientie rungen in einem Magnetfeld.

Zwei davon sind in Fig. 1 schematisch dargestellt: a) Nadeln 1 Ursache 1 magnetische Induktion b) Nadeln [1 Ursache 1 magnetische Induktion.

Der Fall: Nadeln 1 Ursache 11 magnetische Induktion ist für das erfindungsgemässe elektrische Bauelement ohne Bedeutung.

In Fig. 1 ist die Richtung der Ursache mit U be zeichnet und die Richtung der magnetischen Induk tion mit B. Der anisotrope Körper 1 ist im x-y-z- Koordinatensystem orientiert, so dass die in das Ma terial eingeschlossenen Nadeln 2 in die y-Richtung und die Nadeln 3 in die x-Richtung zeigen.

Für anisotrope Körper lautet die Formel der den Wirkungsgrad bestimmenden isothermen Ettingshau- sen-Nernst-Effektivität:
EMI0002.0045
Der erste obere Index bezeichnet immer die Rich tung der Primärursache; der Index B bezieht sich auf Grössen im Magnetfeld.

Ettingshausen-Nemst-Koeffizient und Ettingshau- sen-Koeffizient sind durch die Bridgman-Beziehung verknüpft:
EMI0002.0051
Aus dieser Beziehung geht hervor, dass bei opti malem Betrieb als Thermogenerator mit dem Tem peraturgradienten in x-Richtung die Wärmepumpe so geschaltet werden muss, dass der elektrische Strom in y-Richtung fliesst, wenn das Koordinatenkreuz fest mit dem anisotropen Körper verbunden ist.

Das Produkt 2iT hat als obere Grenze den Wert 1, da in diesem Fall schon der Carnot-Wirkungsgrad 77, erreicht ist. Das wird in Fig. 2 verdeutlicht. Dort ist in der Abszisse die Grösse 2, -T und in der Ordi nate der Quotient
EMI0002.0062
aus optimalem Wirkungsgrad 2iQ,t und Carnot-Wir- kungsgrad 77, aufgetragen.

Die Kurven 5, 6, 7, 8 und 9 entsprechen den Parametern TklTh = 1, 0,5, 0,3, 0,1 und 0,01, wobei TI, die kältere Temperatur und Th die heissere Temperatur des Carnot-Prozesses sind. Die Mitteltemperatur T. ist definiert als: T"z = (Th -f- TL-) /2.

Im Gegensatz dazu ist, wie schon gesagt, das thermoelektrische cpo = ab solute differentielle
EMI0002.0082
Thermospannung) - thermo dynamisch unbegrenzt. Thermoelektrische und ther- momagnetische Materialien lassen sich hinsichtlich ihres Wirkungsgrades aber vergleichen, wenn man die folgende Relation berücksichtigt:
EMI0002.0089
Dieser Vergleich ist in Fig. 3 vorgenommen.

In der Abszisse ist die mit T. multiplizierte Ettingshau- sen-Nernst-Effektivität Zi - T. und in der Ordinate die mit T. multiplizierte Peltier-Effektivität Z - T. aufgetragen
EMI0002.0100
Da die besten heute bekannten thermoelektrischen Materialien ein Z - T um 1 haben, wird eine thermo- magnetisch wirksame Substanz,

insbesondere mit einem Zi - T > 0,5, technisch interessant; vgl. hierzu Fig. 3.

Ausführungsbeispiele Als Modellsubstanz künstlich stark anisotroper Systeme aus Grundmaterialien grosser Hallbeweglich- keit (Ru - a,) und gerichteter zweiter Phasen kleiner Hallbeweglichkeit, aber grosser spezifischer elektri scher Leitfähigkeit kann z. B. eigenleitendes InSb mit ausgerichteten N!Sb-Nadeln dienen. Diese Substanz wurde an anderer Stelle bereits vorgeschlagen.

Es soll am Beispiel des für thermomagnetische Zwecke bei Magnetfeldern bis 7 kG und oberhalb der Zimmer temperatur völlig ungeeigneten reinen InSb gezeigt werden, dass durch die Erfindung die thermomagne- tische Effektivität des InSb um ein Vielfaches ver bessert werden kann.

In dem Modellversuch hatten die ausgerichteten NiSb-Nadeln im eigenleitenden InSb eine Länge von rund 50,u und einen Durchmesser von etwa 1 ,u. Der Anteil des NiSb am InSb betrug 1,8 Gewichtsprozent. Gemessen wurden die thermomagnetischen Effekte für die in Fig. 1 dargestellten Orientierungen der zweiten Phase im InSb als Funktion des Magnetfeldes von 0-7 kG und Temperaturen von 20 bis ca.

300 C.

In Fig. 4 ist in der Ordinate die spezifische elek trische Leitfähigkeit 6o und in der Abszisse die rezi proke absolute Temperatur 103/T aufgetragen. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit ohne Magnetfeld liegt wegen der zusätzlichen Leitfähigkeit der Nadeln für die Probe b (Kurve 11) um den Faktor 2 höher als für die Probe a bzw. das homogene Material (Kurve 10).

Die Proben a und b sind wie in Fig. la und 1 b orientiert. Im Magnetfeld von 7 kG nimmt die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Probe a (Kurve 13) gegenüber der Kurve 10 auf 8 1o ab, wäh rend die Leitfähigkeit des homogenen Materials (Kurve 12) nur wenig vom Magnetfeld beeinflusst wird. Dies ist die sogenannte geometrische Wider standsänderung, die - wie an anderer Stelle vorge schlagen - in der Feldplatte ihre technische Anwen dung findet.

Zn Fig. 5 ist wieder die reziproke absolute Tem peratur 1031T in der Abszisse aufgetragen. Die nor mierte isotherme Ettingshausen-Nernst-Spannung Evil(dTldx) = Qis - Bz, die in der Ordinate eingetra gen ist, steigt in der Probe b (Kurve 15) bei20'C und 7 kG um den Faktor 18 gegenüber dem homo genen Material (Kurve 14).

- Die Kurve 14 besitzt einen für die Ettingshausen-Nernst-Spannung charak teristischen Nulldurchgang, der für die Kurve 15 erst für höhere Temperaturen eintritt, also in der Zeich nung weiter links liegt.

Zur Prüfung, ob diese Erhöhung geometrischer Natur ist, wurde eine homogene, eigenleitende InSb- Platte der Dimension 2 X 10 X 30 mm3 auf beiden Breitseiten mit durchgehenden Silberstreifen in Längs richtung versehen. Die Streifenbreite betrug 0,3 mm und deren Zwischenraum 0,7 mm. Ein derartiges Raster ergab eine Erhöhung des Widerstandes bei 7 kG und 20 C auf den 5,6fachen Wert.

Die Span nung E.il(dTldx) wurde durch die Silberstreifen unter den gleichen Messbedingungen um den Faktor 11 er höht. Damit ist nachgewiesen, dass die spezielle Geo metrie die Hauptursache für die benannte Erhöhung der Spannung Evi1(dTldx) ist. Der gefundene Effekt ist somit als Geometrischer Ettingshausen-Nernst- Effektv zu bezeichnen.

Zusätzlich wurde noch die Umkehrung dieses geo metrischen Ettingshausen-Nernst-Effekts, der geo metrische Ettingshausen-Effekt, an der Probe a (ent sprechend Fig. la) gemessen und die Bridgman-Be- ziehung innerhalb der Messgenauigkeit bestätigt ge funden. Die erfindungsgemässen elektrischen Bau elemente sind also zur Herstellung von Ettingshausen- Wärmepumpen geeignet.

In Fig. 6 ist die Wärmeleitfähigkeit in der Ordi nate als Funktion der absoluten reziproken Tempera tur 1031T (in der Abszisse) aufgetragen. Die Kurven 16 bzw. 18 geben den Gang der Wärmeleitfähigkeit des homogenen Materials ohne Magnetfeld bzw. mit einem solchen von 7 kG wieder. Der entsprechende Gang der Wärmeleitfähigkeit für die Probe b (wie in Fig. 1 b orientiert) ist in den Kurven 17 und 19 auf gezeichnet.

Die Wärmeleitfähigkeit wird nur unwe sentlich von der Anisotropie beeinflusst. Man erhält etwa 6 % Erhöhung der Kurve 17 (Probe b) gegen über der Kurve 16 (homogenes Material). Auch der Einfluss des Magnetfeldes von 7 kG auf die Wärme leitfähigkeit wird durch diese Anisotropie nicht we sentlich verändert. Dieses Ergebnis ist sehr wichtig für die erfindungsgemässen elektrischen Bauelemente, da diese für ihre Verwendung eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit haben sollen.

In Fig. 7 ist die isotherme Ettingshausen-Nernst- Effektivität (bei 7 kG) in der Ordinate als Funktion der in der Abszisse gezeichneten reziproken absolu ten Temperatur für eigenleitendes homogenes InSb (Kurve 20) und ebenso die entsprechende Grösse für anisotropes InSb (Kurve 21) aufgetragen.

Bei der Messung der Kurve 21 war der anisotrope InSb-Kör- per entsprechend Fig. 1 b orientiert. Die beiden Kur ven 22 und 23 entsprechen den mit T multiplizierten Ettingshausen-Nernst-Effektivitäten Zi - T = 1 und Zi - T = 0,5. Davon entspricht die erstere dem Car- not-Wirkungsgrad und ist somit die höchstmögliche, und die letztere gibt etwa die der bisher erreichten Peltier-Effektivität entsprechenden Werte wieder.

Da die spezifische elektrische Leitfähigkeit in Richtung der auftretenden Ettingshausen-Nernst- Spannung sich etwa um denselben Faktor verschlech tert, um den die geometrische Ettingshausen-Nernst- Spannung E@il(dTldx) = Qxy - Bz steigt, resultiert für die Erhöhung der Effektivität
EMI0003.0099
immer noch ein gleichartiger Faktor, da die Ettings- hausen-Nernst-Spannung quadratisch in die Formel eingeht.

Trotz der erreichten Verbesserung um den Faktor 26 bleibt InSb als thermomagnetisches Material ober halb der Zimmertemperatur bis zu Feldern von 7 kG, die mit permanenten Magneten bequem erreicht wer den können, technisch uninteressant.

Jedoch eröffnen sich für andere Materialien, die schon als Grundsubstanzen eine hohe Effektivität auf weisen, neue Möglichkeiten, den Wirkungsgrad durch Ein- bzw. Aufbringen von (elektrisch gutleitenden) Streifen zu verbessern. Voraussetzung dafür ist, dass das Grundmaterial eine von null verschiedene Hall beweglichkeit (RH - a,) besitzt.

Neuerdings hat man an Wismut-Antimon-Legie- rungen, wie schon angedeutet, sehr gute thermo- magnetische Eigenschaften gefunden. Beispielsweise hat eine Legierung von etwa 95 % Wismut und 5 Antimon bei einem Magnetfeld um 10 kG und Tem peraturen von 80-160 K ein ZiT .- :

0,4 und eine Haubeweglichkeit von RH - o" > 10 000 cm2/Vsec.

Wie aus Fig. 3 entnommen werden kann, braucht man also mit Hilfe der künstlichen Anisotropie nur eine kleine Erhöhung der Effektivität dieses Materials zu erreichen, um es den bisher verwandten thermo- elektrischen Substanzen technisch überlegen zu ma chen.

Mit Hilfe der erfindungsgemässen elektrischen Bauelemente mit zusätzlich geometrisch bedingter thermomagnetischer Effektivität lassen sich also wirt schaftlich arbeitende Ettingshausen-Nernst-Generato- ren sowohl als auch Ettingshausen-Wärmepumpen herstellen.

Geeignetes Grundmaterial für die erfindungsge mässen elektrischen Bauelemente stellen Stoffe dar, die eine hohe und möglichst gleichartige Beweglich- keit der Ladungsträger besitzen und eigenleitend sind. Ferner sollen sie eine so schmale verbotene Zone be sitzen, dass ihre Eigenleitung auch bei tiefen Tempe raturen, z. B. 80 K, erhalten bleibt.

Solche Substan zen sind insbesondere Wismut, Wismut-Antimon-Le- gierungen (mit bis zu 20 % Antimon), Quecksilber- tellurid, Quecksilberselenid, graues Zinn, Magnesium- Blei-Verbindungen (wie Mg2Pb) Cadmium-Arsen- Verbindungen (wie CdgAs2),

einkristallines Graphit und schliesslich AIII-Bv- und AIII_BIv-C2-Verbindun- gen aus der II. bis V. Nebengruppe des Perioden systems der Elemente. Die Grundsubstanzen; deren thermomagnetische Effektivität verbessert werden soll, müssen ausserdem die Bedingung erfüllen, dass ihre Hallbeweglichkeit in wenigstens einem Tempe raturbereich ungleich null ist.

Die künstliche Anisotropie in den thermomagne- tischen Festkörpern, die ja die hohe geometrische thermomagnetische Effektivität bedingt, kann auf ver schiedene Weise hergestellt werden: Auf den senkrecht zum Magnetfeld liegenden Oberflächen des Festkörpers können ausgerichtete elektrisch gut leitende Bereiche, vorzugsweise Strei fen, angebracht sein.

Diese bestehen insbesondere aus Silber, Kupfer oder Indium. - Auch sind zur Erzeu gung der benannten Anisotropie ausgerichtete Ein schlüsse einer zweiten gutleitenden Phase geeignet, die im Inneren des Festkörpers statistisch verteilt sind. - Auch räumlich periodische Dotierungsschwan- kungen ergeben thermomagnetisch wirksame Aniso- tropien.

Claims

PATENTANSPRUCH Elektrisches Bauelement mit einem Festkörper, dessen thermomagnetische Eigenschaften ausgenutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper aus einem Material mit von null verschiedener Hall beweglichkeit besteht und dass im Inneren und/oder an der Oberfläche Inhomogenitäten der elektrischen Leitfähigkeit vorhanden sind. UNTERANSPRÜCHE 1. Bauelement nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass auf den Oberflächen des Festkör pers elektrisch gutleitende Bereiche angeordnet sind, die streifenförmig parallel zueinander ausgerichtet sind. z.

Bauelement nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass im Inneren des Festkörpers elek trisch gutleitende, zufällig verteilte und parallel zu einander ausgerichtete Einschlüsse vorhanden sind. 3. Bauelement nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass im Festkörper räumlich periodi sche Schwankungen von Störstellen vorliegen. 4. Bauelement nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass als Grundsubstanz des Festkörpers eine Wismut-Antimon-Legierung dient. 5.

Bauelement nach Patentanspruch, dadurch ge- kennzeichnet, dass als Grundsubstanz des Festkörpers Halbleiterverbindungen dienen.