А) при домашній підготовці:

1. Вивчити явище термоелектричного струму, термоелектричні ефекти: Зеебека, Пельтьє, Томсона ([1],§ 4.7-4.9;[2],§199-202).

2. Зарисувати демонстраційну та експериментальну схеми в робочий зошит([4]р№74;[3]).

3. Підготувати ґрунтовну відповідь на контрольні запитання до лабораторної роботи.

4. Описати в робочому зошиті всі прилади , які використовуються в цій роботі.

Б) при виконанні роботи:

1. Скласти демонстраційну схему з диференціальної термопари та мілівольтметра магнітоелектричної системи. Перевірити, чи міняється знак термо ЕРС, якщо спаї, що нагрівалися та охолоджувалися поміняти місцями. Пояснити одержаний результат.

2. Скласти схему для градуювання термопари та провести вимірювання забезпечивши постійну температуру в спаї 1 та її підвищення в спаї 2 до 95 С. На основі вимірювань визначити величину термоелектричного струму для ряду значень температури (4-5 значень).

3. Визначити постійну термопари експериментально та обчисленням і порівняти одержані результати .

4. На основі експериментальних даних побудувати графіки градуювання для струму і для ЕРС і . Значення E_t обчислити за формулою . Обчислити .

Теоретичні відомості:

Термоелектричні ефекти(виникнення термо ЕРС, струму) спостерігається в колі, що складається з двох різнорідних провідників, контакти (спаї) яких підтримуються при різних температурах.

Термоелектричні ефекти - Зеебека, Пельтьє, Томсона мають багато спільного.Явище Зеебека полягає у виникненні термоЕРС в колі з різних провідників і пропорційна різниці температур спаїв (тут коефіцієнт термоЕРС). Явище Пельтьє полягає в нагріванні або охолодженні спаю двох матеріалів при протіканні постійного струму в залежності від напряму

(П - коефіцієнт Пельтьє,t- час).

Цей ефект не залежить від виділення тепла по закону Ленца-Джоуля, бо має іншу природу.

Явище Томсона полягає у виділенні тепла (або його поглинання) додатково до тепла Ленца-Джоуля, яке виділяється при протіканні постійного струму по однорідному провіднику, в якому існує градієнт температури.

( - коефіцієнт Томсона)

Явища Зеебека, Пельтьє, Томсона спочатку були виявлені в металах, але в напівпровідниках вони виражені значно яскравіше. Це доведено в працях Іоффе.В них значення можуть на декілька порядків перевищувати їх в

металах.

Широке практичне застосування мають ефекти Зеебека та Пельтьє, а явище Томсона в основному має теоретичне значення. Градієнт температури створює коефіцієнт концентрації носіїв заряду і відповідний дифузійний струм, внаслідок чого виникають об'ємні заряди вздовж провідника або напівпровідника.

Якщо поле об'ємних зарядів направлене проти зовнішнього поля, то воно здійснює роботу проти внутрішнього поля і виділяється додаткове тепло.

При співпаданні напрямів обох полів внутрішнє поле виконує частину роботи по створенню дрейфа носіїв заряду, що здійснюється за рахунок теплової енергії провідника (або напівпровідника), тому останній охолоджується.

Для спостереження термоелектрики досить приєднати до мілівольтметра два куски мідного дроту і замкнути їх куском дроту з іншого матеріалу. Місце з'єднання дротин можна притиснути плоскогубцями, припаяти або приварити електро або газозварюванням. При нагріванні одного із спаїв в полі з’явиться термоЕРС і стрілка міліамперметра відхиляється:

Знак термоЕРС зміниться (стрілка мілівольтметра відхиляється в інший бік), якщо нагрітий спай охолодити і потім нагріти інший спай.

Для більшості пар матеріалів в широкому інтервалі температур термоЕРС збільшується не пропорційно різниці температур спаїв. Тому для характеристики термоелектричних властивостей будь-якої пари провідників користуються диференціальною (питомою) термоЕРС, яка рівна термоелектрорушійній силі, яка виникає при різниці температур спаїв в 1 К. Диференціальна термоЕРС , де dT-різниця температур спаїв, d - термоЕРС, що відповідає dT. Вона залежить не лише від роду даної пари провідників, але і від їх температури.

В таблиці наведені значення термоЕРС (мкВ) для металів, які часто використовуються (відносно платини при 0° С).

Bi	Константи	Ni	Pt	Cu	Fe	Sb
-65	-34,4	-16,4	0	7,4	16	47

Знак при введено для визначення напрямку термоструму і означає, що в нагрітому спаї струм тече від металу з меншим (алгебраїчно) значенням до другого. Отже, в парі залізо-константан струм в гарячому спаї направлений від константану (-34,4) до заліза (16,0).

Значення для тих же металів, але відносно інших провідників (не платини) будуть відрізнятися від значень, наведених в таблиці. Тому необхідно завжди вказувати два матеріали, з яких виготовлено термоелемент. Це не зовсім зручно, тому домовилися інших матеріалів вимірювати відносно свинцю.

ТермоЕРС можна підсилити, застосовуючи ряд термопар, з'єднаних послідовно в термоелектричну батарею, в якій, наприклад, всі парні спаї нагріваються, а непарні охолоджуються.

Така система термопар, яка має термоЕРС, називається термостовпчиком

тут n- число пар,

- максимальний коефіцієнт термоЕРС пари.

Термоелемент перетворює теплову енергію в електричну або механічну (при вмиканні мотора ), отже, він являє собою теплову машину, яка підлягає законам термодинаміки. Звідси слідує, що не все тепло Q, підведене до нагрітого спаю, може повністю перетворитися в електричну або механічну енергію, а ККД його визначиться температурами нагрівника Т₂ і холодильника Т₁.

Термодинамічний аналіз термоелектричних явищ провів У.Томсон (Кельвін), показавши взаємний зв'язок ефектів Зеебека і Пельтьє. Він передбачив існування третього ефекта, названого пізніше ефектом Томсона.

Згідно теорії Томсона термоелектричні коефіцієнти не являються незалежними, а пов'язані між собою такими співвідношеннями:

Механізм термоелектричних явищ можна зрозуміти на основі класичної електронної теорії.

Відомо, що різним температурам в колі відповідає різна кінетична енергія вільних електронів. В той же час коефіцієнт дифузії носіїв зростає із збільшенням їх енергії. В зв'язку з цим відбувається поступова термодифузія в область кола з нижчою температурою.

Надлишок носіїв на холодному кінці провідника приводить до виникнення внутрішнього електричного поля, що заважає дальшій термодифузії.

Величина різниці в концентраціях на холодному і гарячому кінцях провідника при якій настає динамічна рівновага, залежить від фізичних характеристик матеріала. Класична фізика дає наближене співвідношення між коефіцієнтами термоЕРС металів і концентрацією зарядів в них:

Тут k- постійна Больцмана, е- заряд електрона, n_A, n_B - число вільних електронів, що припадає на одиницю об'єму металів, які перебувають в контакті.

Величина термоЕРС залежить від різниці температур між нагрітим і холодним спаями і являється величиною дуже чутливою до хімічного складу і стану віток термоелемента.

Термоелектричні ефекти Зеебека і Пельтьє широко застосовуються на практиці, особливо широко використовується явище термоЕРС в термометрії в широкому інтервалі температур від -200 C до 2500-3000 C.

Ефект Пельтьє застосовують в різних холодильниках і термостатах, які здійснюють охолодження і стабілізацію температури аж до - 1200 C.

В даній роботі вимірюють термоелектричні характеристики металевоїтермопари константан-мідь.

Для металевих термопар виразиться формулою:

де коефіцієнт термоЕРС, чисельно рівний різниці потенціалів, якийвиникає при різниці температур в 1 К і залежить від температури. На залежності базується термоелектричний метод вимірювання температур. Для цього термоелемент необхідно попередньо проградуювати.

Експериментальна установка (рис.3) для градуювання термоелемента складається з термопари, виготовленої з двох металевих дротин М і К, чутливого гальванометра або електронного вольтметра з чутливістю до мілівольт, посудини N з водою при постійній температурі, термостата N₁, який забезпечує нагрівання спаю і контрольних термометрів D, магазина опорів Rm.

Величина термоелектричного струму, який протікає в такому колі визначається термоЕРС та опором кола:

(1)

тут R_i- внутрішній опір термоелемента,

R₀- зовнішній опір кола.

(2)

Градуювальні характеристики можна одержати у вигляді або оформляються у вигляді графіка або у вигляді таблиць.

Постійна термопари одержується з врахуванням формул (1), (2).

Якщо зовнішній опір дуже малий, а вимірювання проводять гальванометром

(3)

r- внутрішній опір гальванометра,

К_і - постійна гальванометра по струму,

n₂ - число поділок на гальванометрі, що відповідає Т₂

Експериментально визначають постійну термопари, використовуючи установку на рис.1. При температурі Т₁ спаїв термострум в колі буде:

(4)

n₁- число поділок гальванометра, яке відповідає температурі Т₁.

К_і - постійна гальванометра по струму (написана на шкалі приладу)

- термоЕРС при даній температурі

Ro - опір гальванометра і термопари.

Якщо не міняти температуру і ввімкнути до гальванометра додатковийопір R₂, то величина термоструму (при тій же температурі Т₂):

(5)

тут n₂- число поділок ,що відповідає температурі Т₂, але при ввімкненому додатковому опорі R₂

З рівнянь (4), (5) виключаємо R₀, одержане значення підставляємо в формулу (1),маємо:

(6)

T₁- температура холодного спаю.

Зібравши установку по схемі 3, розташування приладів у схемі за рис.4, повністю вивести опір R1. Перевірити рівність температур спаїв I і II. Змінюючи температуру спаю II, через проміжки в 5-10 С, записати покази приладу. Температуру спаю II підвищувати до 80-90 C. Записати значення струму при виведеному опорові і температурі спаю II T₂. Виміряти термострум при тій же температурі спаю II T₂ і при введеному додатковому опорові R_i. Дослід проробити для різних значень R₁. Результати дослідів занести в таблицю, яку використати для побудови графіків I=f( T) та .

Значення обчислювати за формулою (1). Постійну термопари обчислити, використавши графік I=f( T) за формулою (3). Використавши результати вимірювань п.п.4,5, обчислити постійну термопари за формулою (6), порівняти одержане значення з значенням за формулою (3).

Правила техніки безпеки:

• при складанні електричної схеми використовуйте провідники з непошкодженою ізоляцією;

• будьте обережними при роботі з електроплиткою, не допускайте попадання провідників на нагрівну поверхню.

Запитання для самоконтролю:

1. Які ефекти називаються термоелектричними та який механізм їх виникнення ?

2. Назвіть основні напрямки практичного використання термоелектричних ефектів.

3. Що називається чутливістю термопари та від чого залежить її величина?

4. Чому для градуювання термопари використовують мілівольтметр з великим внутрішнім опором ?

5. Що називається контактною різницею потенціалів та від чого вона залежить?

6. Що таке термобатарея та де вона використовується ?

7. Назвіть способи вимірювання температури та принцип дії приладів, які використовуються для цього.

8. Як виміряти термопарою значно вищу температуру ніж точка плавлення матеріалу самої термопари ? Який фізичний закон використовують в цьому випадку?

9. Що таке ряд Вольта?

10. Що розуміють під внутрішньою та зовнішньою контактною різницею потенціалів?

Література:

1. І.М.Кучерук, І.Т.Горбачук. Загальна фізика. Електрика і магнетизм.К.,1990.

2. С.Г.Калашніков. Електрика. М.,1977.

3. А.В.Кортнев и др. Практикум по физике. М.,1975, работа № 37, с.241.

4. Загальна фізика. Лабораторний практикум під ред.І.T.Горбачука. К.,1992.

5. Методичні вказівки до роботи.

6. Н.Н.Майсова.Практикум по курсу общей физики. М.,1970, работа №42, c.233-237.

7. Физический практикум под ред.Ивероновой.М.,1968.Т.2.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6