- •Министерство образования и науки
- •Ббк 22.33я73
- •Предисловие
- •Лабораторная работа № 1 Изучение электростатического поля
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 Шунты и дополнительные сопротивления
- •Введение
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 Измерение электроемкости конденсаторов
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 4 Измерение сопротивления проводников
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 Изучение зависимости мощности источника тока от сопротивления нагрузки
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 Изучение процессов заряда и разряда конденсатора
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7 Определение заряда электрона
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 8 Изучение эффекта Зеебека
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 9 Изучение температурной зависимости электропроводности германия
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 10 Изучение свойств полупроводникового диода
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 11 Определение горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 12 Изучение магнитного гистерезиса
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 13 Изучение затухающих электромагнитных колебаний
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 14 Изучение закона Ома для цепей переменного тока
- •Введение
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 15 Изучение вынужденных колебаний и резонанса в цепи переменного тока
- •Введение
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая литература
- •Приложения
- •Табличные значения некоторых физических величин
- •Условные обозначения на шкалах приборов
- •Определение погрешности измерения, проведенного с помощью электрического прибора
- •Принцип действия некоторых электроизмерительных приборов Измерительный механизм магнитоэлектрической системы
- •Измерительный механизм электромагнитной системы
- •Измерительный механизм электродинамической системы
- •Электростатические приборы
- •Оглавление
- •Общая и экспериментальная
Введение
Количество свободных электронов в единице объёма или концентрация их у различных металлов различается. Различаются также и силы притяжения к положительным ионам, которые удерживают свободные электроны внутри металла. Следовательно, отличаются средние значения полных энергий электронов в разных металлах. Поэтому, если два различных металла привести в тесное соприкосновение, например, путем сварки или спайки, то между ними будет происходить взаимный переход (диффузия) электронов. В зависимости от соотношения концентраций и сил, удерживающих электроны внутри металла, электроны из одного металла А(рис.1,а), например, цинка, будут переходить во второй металлБ, например, медь, в большем количестве, чем обратно. В связи с этим в контактном слое со стороны цинка образуется недостаток электронов, и он заряжается положительно, а со стороны меди образуется их избыток, и она заряжается отрицательно.
Вольта установил, что если металлы Al,Zn,Sn,Pb,Sb,Bi,Hg,Fe,Cu,Ag,Au,Pt,Pdпривести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд металлов называется рядом Вольта.
а) б) в)
Рис. 1
В контакте между металлами образуется электрическое поле и возникает контактная разность потенциалов. Это поле противодействует дальнейшему переходу электронов. В результате наступает динамическое равновесие: количество электронов, переходящих через контактный слой вследствие диффузии, равняется количеству электронов, возвращающихся под действием электрического поля. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых до целых вольт.
Если замкнуть противоположные концы проводников А и Б (рис. 1, б), то между ними возникает такая же по величине, но противоположно направленная разность потенциалов, и тока в цепи не будет. То же получится, если составить цепь металлов А и Б через промежуточный проводник.
Иной результат получится, если места соединения металлов А и Б имеют различную температуру Т. Поскольку диффузия электронов происходит в процессе теплового движения, то в спае с более высокой температурой она будет происходить более интенсивно и контактная разность потенциалов в нем увеличится (рис. 1, в). Теперь в общей цепи металлов появится результирующая разность потенциалов, равная разности контактных разностей потенциалов в нагретом и холодном спаях. Эта разность потенциалов называется термоэлектродвижущей силой Еt. По величине она с достаточной степенью точности прямо пропорциональна разности абсолютных температур нагретого Т и холодного Т0 спаев:
Et = α(T – T0). (1)
Коэффициент пропорциональности α называется дифференциальной термоэдс, так как по определению . Он зависит от природы металлов и слабо зависит от температуры. В том случае, когда интервал температур является небольшим,α можно считать величиной постоянной.
Под действием термоэлектродвижущей силы в замкнутой цепи возникает термоток, который может быть измерен чувствительным измерительным прибором. Сила тока прямо пропорциональна термоэдс и может служить мерой разности температур спаев.
Рассмотренное явление было открыто в 1821 г. немецким физиком Т.И. Зеебеком и носит его имя.
Два спаянных между собой проводника из различных металлов называются термопарой. Основным применением термопары является измерение температуры. Для этого спай термопары приводится в соприкосновение со средой, температура которой измеряется. Свободные концы термопары подключаются к достаточно чувствительному измерительному прибору, например, гальванометру. Отклонение стрелки прибора при этом прямо пропорционально разности температур нагретого и холодного концов термопары.
Рис. 2
Это является известным недостатком термопары, так как не дает возможности измерять непосредственно температуру среды. При измерении высоких температур этим можно пренебречь. При измерении относительно невысоких температур пренебречь температурой холодного спая уже нельзя. Для удобства измерений холодный спай помещают в термос с тающим льдом (0оС). Измерительный прибор включают, как показано на схеме (рис. 2). В этом случае шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в градусах температуры нагретого спая. Термопара имеет преимущества перед ртутным термометром в чувствительности и быстроте измерения, однако по простоте измерения она уступает термистору.
а) б)
Рис. 3
Для повышения чувствительности применяют термобатарею или термостолбик, состоящий из того или иного числа включенных последовательно термопар. Схема термостолбика из четырех термопар показана на рис. 3, а. На рис. 3, б показан термостолбик для измерения мощности теплового излучения. Термопары расположены так, что нагреваемые спаи Сн находятся посередине плоской круглой рамки, а холодные Сх – на ее периферии, где они закрыты шторками Ш и не подвергаются нагреванию. Термостолбики, содержащие до 100 термопар, соединенные с зеркальным гальванометром, обладают настолько высокой чувствительностью, что позволяют обнаружить, например, тепловое излучение поверхности тела человека.
Термоэлектрические явления обратимы. Если пропустить ток от постороннего источника через контакты металлов как показано на рис. 4, то в спае 2выделится некоторое добавочное к обычному (обусловленному сопротивлением проводника) количество теплоты, вследствие чего температура его Т2 будет несколько выше, чем температура Т0 других участков проводников. При этом в спае 1 проис-ходит поглощение теплоты, и его температура Т1 становится ниже Т0.
Указанное явление, открытое Ж. Пельтье в 1834 г., связано с тем, что электрическое поле, образующее в спае контактную разность потенциалов, в первом случае ускоряет электроны, совершая тем самым положительную работу. Во втором – тормозит движение проходящих через спай электронов. (На рис. 4 направления движения электронов в области контактов показаны стрелками).
Рис. 4
Повышение скорости электронов равносильно увеличению тока и вызывает дополнительное нагревание проводника. Снижение скорости электронов равносильно уменьшению тока и ведет к снижению температуры спая.
Опыт показывает, что количество теплоты Q, которое выделяется (поглощается) в спае за некоторое время t, пропорционально t и силе тока I в цепи:
Q =ΠIt. (2)
Коэффициент пропорциональности Π носит название коэффициента Пельтье.
В лабораторной работе исследуется зависимость термоэдс от разности температур спаев и определяется постоянная термопары α. В качестве иллюстрации практических возможностей применения термоэлектрического эффекта в работе предлагается исследовать с помощью термостолбика зависимость мощности излучения лампы накаливания от расстояния до нее.