СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНОВ, ТУННЕЛИРОВАННЫХ ЧЕРЕЗ ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ ДИЭЛЕКТРИК Российский патент 2000 года по МПК H02N1/00 H02N11/00 

Изобретение относится к преобразованию энергии, в частности к эмиссионному способу преобразования энергии с применением туннельной эмиссии, и может быть использовано в энергетике при преобразовании туннелированных электронов в электроэнергию.

Известен способ преобразования энергии туннелированных электронов /США, патент N 3864572, МКИ H 01 J 45/00, 1975/, включающий производство электроэнергии в эмиссионном преобразователе за счет туннельной эмиссии электронов из токопроводящего эмиттера в вакуум и осаждения их на токопроводящем коллекторе, что приводит к накоплению на коллекторе избыточного отрицательного заряда, понижению его потенциала относительно эмиттера и протеканию электрического тока во внешней цепи, соединяющей эмиттер и коллектор через сопротивление полезной нагрузки.

Недостатком указанного способа является низкий коэффициент полезного действия преобразователя вследствие применения внешнего электрического поля, обеспечивающего туннельную эмиссию через потенциальный барьер "эмиттер-вакуум", что приводит к невосполняемым энергозатратам при осаждении эмиссионного электронного пуска на коллекторе.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия преобразователя энергии туннелированных электронов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе преобразования энергии электронов, туннелированных через поляризованный диэлектрик, включающем производство электроэнергии в эмиссионном преобразователе за счет туннельной эмиссии электронов из токопроводящего эмиттера и накопления их на токопроводящем коллекторе, что приводит к понижению потенциала коллектора относительно эмиттера и протеканию электрического тока во внешней цепи, соединяющей эмиттер и коллектор через сопротивление полезной нагрузки, вместо внешнего электрического поля применяют поляризованный диэлектрик.

Существуют диэлектрики, обладающие или спонтанной поляризацией /например, пироэлектрики/, или способностью поляризоваться, например, в результате приложенного механического напряжения /прямой пьезоэлектрический эффект/.

В поляризованном состоянии образец диэлектрика обладает собственным электрическим полем. Следовательно, если между обкладками из проводящего материала, соединенными через сопротивление полезной нагрузки, поместить поляризованный диэлектрик, так чтобы вектор суммарного дипольного момента образца диэлектрика был перпендикулярен обкладкам, то эти обкладки приобретут разноименные заряды, компенсирующие поле диэлектрика.

Если толщина диэлектрика достаточно мала, происходит обмен электронами между обкладками благодаря квантовому туннельному эффекту. Причем электроны преимущественно туннелируют из отрицательно заряженной обкладки - эмиттера в положительно заряженную обкладку - коллектор, потому что эмиттер имеет большую поверхностную плотность электронов, чем коллектор.

Таким образом, на коллекторе накапливается избыточный отрицательный заряд, что приводит к понижению его потенциала относительно эмиттера и протеканию электрического тока во внешней цепи через сопротивление полезной нагрузки.

Введем следующие условия обозначения:
σ_з, к/м² - поверхностная плотность зарядов на проводящих обкладках, "наведенных" полем поляризованного диэлектрика;
σ_и, к/м² - поверхностная плотность избыточного заряда на коллекторе;
S, м² - площадь обкладок;
L ≈ 10^-10 м - "глубина" поверхностных зарядов на обкладках;
R, Ом - сопротивление полезной нагрузки;
m = 9,11 • 10³¹ кг - масса электрона;
e = 1,6 • 10^-19 К - заряд электрона;
ℏ︀ = 1,054•10^-34 Дж • с - постоянная Планка;
ε_o= 8,85•10^-12 к²/H•м² - диэлектрическая постоянная;
а, м - толщина диэлектрика;
v ≈ 10⁶ м/с - скорость свободных электронов;
Е ≈ 3 • 10^-19 Дж - работа выхода материала эмиттера и коллектора;
D - коэффициент прозрачности потенциального барьера "эмиттер-коллектор";

где Δϕ,b - разность потенциалов между коллектором и эмиттером. /Предполагаем, что E ≫ Δϕ•/e//.
За время Δt = L/v заряд туннелирует из эмиттера в коллектор.

Следовательно, сила тока
I = q/Δt = D•S(2σ_з-σ_и)•v/6L.
Разность потенциалов Δϕ = σ_иa/2ε_o.
По закону Ома:

Мощность преобразователя
W = I•Δϕ = 4σ23

При σ_з≈ 10^-7к/м²; S = 10^-4 м²; a = a_опт ≈ 2 • 10^-10м ---> W ≈ 10^-1 Вт
При a ≈ 10^-9 м и прочих таких же условиях W ≈ 10^-4 Вт.

/Можно убедиться, что и в том, и в другом случае выполняется условие E ≫ Δϕ•/e/ /.
При последовательном соединении N вышеописанных элементов "проводящий материал - поляризованный диэлектрик - проводящий материал" напряжение на сопротивлении полезной нагрузки Δϕ = Nσ_иa/2ε_o.
При этом сила тока остается прежней. Следовательно, мощность такой батареи Wб = N • W.

Односторонняя туннельная эмиссия электронов из эмиттера непосредственно в коллектор обеспечивается тем, что слой поляризованного диэлектрика, помещенный между излучающей поверхностью эмиттера и принимающей электроны поверхностью коллектора изготавливается настолько тонким, чтобы между эмиттером и коллектором был возможен обмен электронами за счет квантового туннельного эффекта.

При этом электроны проходят через потенциальный барьер /слой поляризованного диэлектрика/, не обладая необходимой для этого энергией и не теряя своей энергии. Интенсивность туннелирования характеризуется коэффициентом прозрачности потенциального барьера, который растет с уменьшением ширины потенциального барьера /в нашем случае - с уменьшением толщины слоя поляризованного диэлектрика/ /Блохинцев Д.И. "Основы квантовой механики", 4 изд., М. , 1963; Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. "Квантовая механика. Нерелятивистская теория". 3 изд., М., 1974 /Теоретическая физика. т.3//.

Кроме того, для обеспечения односторонней туннельной эмиссии слой поляризованного диэлектрика размещается относительно эмиттера и коллектора таким образом, чтобы вектор суммарного дипольного момента диэлектрического слоя был перпендикулярен поверхностям эмиттера и коллектора. При этом с одной стороны потенциального барьера "эмиттер-коллектор" концентрация электронов проводимости больше, чем с другой: на обращенных друг к другу поверхностях эмиттера и коллектора индуцируются разноименные заряды, компенсирующие электрическое поле поляризованного диэлектрика. Поэтому плотность электронного потока через потенциальный барьер из эмиттера в коллектор будет больше, чем из коллектора в эмиттер.

Расчет, приведенный выше, показывает, что при толщине диэлектрического слоя порядка десяти ангстрем можно получать около одного милливатта с одного квадратного сантиметра излучающей поверхности эмиттера.

Таким образом, заявленное предложение может иметь промышленную применимость, если технологии позволяют создание приборов, основанных на использовании процессов туннелирования в твердых телах, когда в проводящем кристалле имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов.

Примером такого прибора может служить туннельный диод, впервые предложенный в 1957 году лауреатом Нобелевской премии Л.Эсаки (Esaki L., New phenomen in narrow lermanium p-n junctions, "Physical Review", 1958, v.109, N 2; Esaki L. , Long journey into tunnelling, "Reviews of modern Physics", 1974, v.46, N 2).

Изобретение относится к преобразованию энергии и может быть использовано в энергетике при преобразовании энергии туннелированных электронов в электроэнергию. Способ преобразования энергии электронов, туннелированных через поляризованный диэлектрик, включает производство электроэнергии в эмиссионном преобразователе за счет туннельной эмиссии электронов из токопроводящего эмиттера и накопления их на токопроводящем коллекторе, что приводит к понижению потенциала коллектора относительно эмиттера и протеканию электрического тока во внешней цепи, соединяющей эмиттер и коллектор через сопротивление полезной нагрузки. Применяют слой поляризованного диэлектрика, изготавливая и размещая его относительно эмиттера и коллектора таким образом, чтобы обеспечить одностороннюю туннельную эмиссию электронов из эмиттера непосредственно в коллектор. Техническим эффектом является повышение КПД преобразователя энергии туннелированных электронов.

Способ преобразования энергии электронов, туннелированных через поляризованный диэлектрик, включающий производство электроэнергии в эмиссионном преобразователе за счет туннельной эмиссии электронов из токопроводящего эмиттера и накопления их на токопроводящем коллекторе, что приводит к понижению потенциала коллектора относительно эмиттера и протеканию электрического тока во внешней цепи, соединяющей эмиттер и коллектор через сопротивление полезной нагрузки, отличающийся тем, что применяют слой поляризованного диэлектрика, изготавливая и размещая его относительно эмиттера и коллектора таким образом, чтобы обеспечить одностороннюю туннельную эмиссию электронов из эмиттера непосредственно в коллектор.