Бақылау сұрақтары

1 Диэлектриктер мен өткізгіштердің негізгі айрмашылығы неде?

2 Резисторларды жасағанда қандай КТК бар өткізгіштерді қолданады?

3 Өткізгіштің КТК деген не ? Оның өлшем бірлігі.

4 Оң және теріс таңбалы КТК деген не ?

5 Кедергінің температуралық коэффициентін анықтайтын әдісті суреттеп түсіндір.

Зертханалық жұмыс №3 Түйіспелі құбылыстар және термоэлектрқозғаушы күш

Жұмыстың мақсаты: екі өткізгіш түйіскен кезде пайда болатын қубылыстарды, термоэлектрқозғауыш күшті өлшеу және зерттелетін термопараның қатысты меншікті термоэлектрқозғауыш күшті анықтау

Қысқаша теориялық мәлімет

Екі әр түрлі металлдар жанасқан кезде олардың арасында түйіспелі потенциалдар айырмасы болады . Бұл құбылысты1797 ж итальян физигі А.Вольт ашқан. Квант теориясына сәйкес , түйісте потенциалдар айырмасының негізгі себебі жанасқан металлдарда Ферми энергиясы әр түрлі болуы.

Металлдардағы -А және В электронды газ оқшаулаған күйде W_F^A және W_F^B Ферми энергияларымен сипатталады, өткізгіш аймағының табанынан есептелінеді( сурет 8а). Электрондардың термодинамикалық шығу жұмысы _А және _B cәйкес тең. Ферми денгейінде орналасқан электрондардың кинетикалық энергиясы түрлі металлдарда әр түрлі. Сол себебті материалдар түйіскен кезде электрондардың энергия шамасы жоғары аймақтан энергия шамасы төмен аймаққа қарқынды өтуі басталады, яғни -В металлынан –А металлға . Шын мәнінде электрондар аз энергия жұмсап,бір орын алуға ұмтылады. Сенбейсіз, бір металлда энергиясы төмен күйде бос орын қалса , дәл сол уақытта басқа металлда энергиясы жоғары күйде толық . Шындығында - В металлдан - А металлға электрондардың өтуі, бұл осы жүйедегі электрондардың өте төмен энергетикалық денгейлерге өтуі. Осындай процесстің нәтижесінде - В металл оң таңбалы болып зарядталады да, ал - А металл –теріс таңбалы болып зарядталады; олар арасында потенциалдар айырмасы пайда болады, ол заряд тасымалдаушылардың әрі қарай өтуіне бөгет жасайды. Пайда болған өрістің күшін жеңетін электрондардың жұмысы түйіс арқылы өтетін электрондардың энергия айырмасына теңескен кезде тепе-теңдік орнатылады.(сурет3.1,б)

Сурет 8. -а) А және В материалдардағы электронды газ энергиясы;

б) материалдар түйісіндегі энергия .

Пайда болған өрістің күшін жеңетін электрондардың жұмысы тең

eU = W_F^A - W_F^A (22)

мұндағы: е – электрон заряды (-1,6*10^-19Кл).

Осылай, ішкі түйіспелі потенциалдар айырмасы Ферми энергиясының айырмасы ретінде анықталады, ол оқшауланған А және В металлдар үшін , өткізгіштік аймағының түбінен бастап есептелінеді.

Түйіспелі өріс, бір металлдан басқа металлға электрондардың теңдескен ағынының тепе-теңдік күйде өтуін қамтамасыздандырады. Электрондардың астан кестен қозғалысының жылдамдығы өте жоғары, сол себебті тепе-теңдік өте тез орнатылады-~10^-16с уақытта. Тепе-теңдік орнатылған жағдайда екі металлдағы Ферми денгейі бірдей болу керек: теріс зарядталған металлдағы энергетикалық денгей көтеріледі , ал оң зарядталған металлдағы түседі. Зарядтар аймағының арқасында денгейлердің теңесуі, электрондардың аз мөлшері өткенде пайда болуы мүмкін. Түйіс аймағында орын алатын қос электронды қабат d, өте жұқа (тор периодының ретінде) және ол электр тоғының түйіс арқылы өтуіне әсерін тигізбейді. Металлдардағы Ферми энергиясының шамасы бірнеше электронвольтты құрайды,сондықтан екі металлдар арасындағы түйіспелі потенциалдар айырмасы ондаған үлестен бірнеше вольтқа дейін жетеді

Екі әр түрлі өткізгіштен құрастырылған, тұйықталған тізбекті құрайтын термоэлементті термопара деп атайды( сурет9). Түйіспелер температурасы әр түрлі кезде тұйықталған тізбекте ток пайда болады, ол термоэлектрлік деп аталады. Егер тізбекті кез келген жерде ажыратса, онда ажыратылған тізбектің соңдарындағы потенциалдар айырмасы термоэлектрқозғаушы күш деп аталады. Бұл құбылысты алғашқы болып ашқан ғалым атымен, Зеебек эффектісі деп аталған .

Сурет 9. Термопара.

Тәжірибе көрсеткендей, қатысты жоғары емес температуралық аралықта, термоэқк түйіспелер температурасының айырмасына пропорционал:

U≈ α_т(Т₂ — T₁), (23)

мұндағы: α_т – қатысты дифференциалды немесе меншікті термоэқк.

α_т –шамасы жанасатын өткізгіштер табиғатына және температурасына тәуелді. Өнбойдағы термоэқкүш үш құраушыдан жиналады. Олардың бірінші құраушысы түйіспелі потенциалдар айырмасының температуралық тәуелділігімен анықталады. Металлдарда температура жоғарлаған сайын, Ферми денгейі аз болса да, энергетикалық шкала бойынша төменге ығысады. Сондықтан өткізгіштің ыстыққа қарағанда суық соңында ол жоғары орналасу керек. Ферми денгейінің ығысу нәтижесінде термоэқкүштің түйіспелі құраушылары пайда болады. Термоэлектрқозғауыш күштің екінші құраушысы: ыстың дәнекерленген соңынан суық соңына заряд тасымалдаушылардың диффузиясымен анықталады. Металлдардағы электрондардың орташа энергиясы аз болсада температурамен бірге өзгереді. Ыстық соңында шоғырланған электрондардың кинетикалық энергиясы және қозғалу жылдамдығы суық соңындағы тасымалдаушылармен салыстарғанда бірнеше жоғары. Сондықтан олар көп жағдайда температуралық градиент бағытына қарай араласады. Диффузиялық ағын , теріс таңбалы зарядты ыстық соңынан суыққа алып өткенде , олардың арасында потенциалдар айырмасын жасайды.

Термоэқк үшінші құраушысы электрондарды жылу энергиясының кванттарымен ерітіп әкеткеннің арқасында өнбойда пайда болады. Олардың ағыны суық соңына да тарайды. Термоэқк барлық құраушылары Ферми денгейіне жақын энергетикалық денгейде орналасқан электрондардың аз ғана шоғырымен анықталады. Сондықтан металлдар үшін меншікті термоэқк аз шамалы. Бір валентті металлдардың меншікті термоэқк үшін квант теориясы келесі өрнекті береді:

(24)

мұндағы: k = 1,38*10^-23Дж/К – Больцман тұрақтысы;

е = -1,6*10^-19- электрон заряды.

Бөлме температурасында kT/W_F қатынасының мәні 10^-3 қатар. Сондықтан _т бірнеше мкВ/К құрайды.

Күрделі аймақтық құрылымы бар металл балқымаларды қолданғанда меншікті термоэқк жоғары шамасын алуға болады.

Температураны дәлдікпен өлшеу үшін кеңінен металл термопаралар қолданылады. Өлшеу процессі кезінде бір дәнекерленген соңының температурасын тұрақтандыру қажет .

Шын жағдайда температураның қайта түсуін іс жүзінде болғызбау мүмкін емес. Сондықтан электр тізбектерінде қажетті емес термоэқк пайда болуы мүмкін. Олардың әсерін азайту үшін электр өлшеуіш аспаптардың тізбектерінде _т. шамасы аз түйіспелі материалдарды таңдау қажет. Бұл зертханалық жұмыста мыс- хромель термопарасы сынақтан өтеді.

Термопара металлдан жасалған өткізгіштің бір соңында екі дәнекерленген ұштардан құралады , олардың термоэлектрлік қасиеттері әр түрлі .Дәнекерленген соңы «жұмыс дәнекер» деп аталады , ол өлшенетін ортаға жайғастырылады , ал термопараның еркін соңы милливольтметрдің кірісіне жалғанады.

Термопараның негізгі сипаттамасы _т –қатысты меншікті термоэқк, ол еркін соңымен жұмыс соңының температурасының айырмасы 1⁰С кезінде еркін соңындағы эқк мәнін нұсқайды. Қатысты меншікті термоэқк _т (23) өрнекке сәйкес анықтау келесіге алып барады термоэқк U өлшеуге, ыстық және суық соңдарындағы температураның айырмасын өлшеуге.