Часть VII. Электрический ток в различных средах

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ.

КAЛИБРОВКА ТЕРМОПАРЫ

Цель работы: Ознакомиться с термоэлектрическими явлениями. Ознакомиться с устройством термопары и принципом измерения температуры с ее помощью. Прокалибровать термопару.

Приборы и принадлежности: термопара, нагревательный прибор, термометры, сосуды с водой, универсальный измерительный цифровой прибор (милливольтметр).

Теоретическое введение.

Тепловые и электрические процессы в проводниках связаны между собой. Это обусловливает ряд явлений, названных термоэлектрическими: явление Зеебека, Пельтье и Томсона.

Я в л е н и е З е е б е к а.

Иллюстрация явления Зеебека

Зеебек в 1821 году обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь, поддерживать при разных температурах, то по цепи потечет ток (рис.1).

Чтобы понять сущность этого явления,

введем представление о работе выхода электрона из металла и о контактной разности потенциалов.

Работой выхода электронов называется величина, численно равная наименьшей энергии, необходимой для перемещения электрона из материала в вакуум. При соприкосновении двух разнородных металлов (сплавов, полупроводников) между ними возникает разность потенциалов, вызванная переходом электронов из одного металла в другой. Эту разность потенциалов называют контактной. Контактная разность потенциалов зависит от соотношения концентраций свободных электронов и работ выхода электронов для соприкасающихся металлов.

Обозначим n - концентрация электронов ( 1/м³ )

А - работа выхода электрона ( Дж )

А₁₂ = А₁ - А₂ - работа перехода электрона из одного металла в другой.

Отметим, что электроны испытывают тенденцию к переходу из области с высокой концентрацией n в область с низкой концентрацией и из металла с низкой работой выхода в область с высокой работой А.

Сочетание этих двух факторов определяет возникающую контактную разность потенциалов

,

где Т - абсолютная температура контакта

k - константа Больцмана

е - элементарный заряд.

Цепь, составленная из двух разнородных проводников, концы которых спаяны, называется термопарой. Для термопары контактные разности потенциалов спаев направлены навстречу друг другу. Поэтому результирующая ЭДС цепи может быть записана

При разных температурах спаев  не равно нулю, что обусловливает возникновение электрического тока. Для небольших различий в температуре спаев соотношение n₁/n₂ приблизительно постоянно, а разность А₁₂(Т₁)-А₁₂(Т₂) – мала, поэтому зависимость ЭДС цепи от разности температуры спаев практически линейна.

 = C (T₁-T₂),

где

- удельная термоэдс данной термопары, численно равная ЭДС, возникающей при разности температур спаев в 1 градус.

Для широких диапазонов Т спаев зависимость  (Т) имеет четко выраженный нелинейный характер.

Я в л е н и е П е л ь т ь е.

Иллюстрация явления Пельтье

Явление, открытое Пельтье в 1834 году, заключается в следующем. Если пропускать ток через цепь, состоящую из двух разнородных спаянных металлов или полупроводников (рис.2), то происходит выделение не только джоулева тепла в проводниках вдоль всей цепи, но один из спаев охлаждается, а другой нагревается за счет выделения в нем дополнительного количества теплоты.

При смене направления тока охлаждаемый и нагреваемый спаи меняются местами. Таким образом, явление Пельтье оказывается обратным явлению Зеебека.

Количество выделившегося в спае (или поглотившегося) тепла определяется выражением:

Qав = Пав q = Пав I t ,

где q - заряд, прошедший через спай за время t. Пав - коэффициент Пельтье, связанный с удельной термоэлектродвижущей силой термопары С следующим соотношением:

Пав = С Т

Я в л е н и е Т о м с о н а.

Томсон в 1856 году на основании термодинамических соотношений предсказал, что протекание тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, приводит к дополнительному нагреву (или охлаждению) проводника за счет того, что средняя энергия электронов различна в частях проводника с разной температурой.

Изучение термопары, ее градуировка и использование

в качестве термометра.

Как указывалось выше, термопара представляет собой два проводника из разнородных металлов, спаянных своими концами (рис.1). Вследствие зависимости величины возникающей термоэдс от разности температур спаев, термопара нашла широкое применение в качестве термометра. Термопары имеют высокую чувствительность (до 10^-6 градуса) и широкий диапазон измеряемых температур (от градусов до двух тысяч градусов).

В общем случае удельная термоэдс термопары С зависит от температуры. Однако некоторые пары металлов имеют величину С, практически постоянную в широком интервале температур. В этом случае зависимость термоэдс  от температуры t носит линейный характер :

 = С t ,

где t = t₂ - t₁ - разность температур спаев.

Градуировка термопары заключается в определении константы С (а для более широкого интервала - в получении таблицы или графика зависимости термоэдс от разности температур спаев ).

Схема установки для градуировки термопары

Для градуировки может быть применена установка, изображенная на рис.3.

Один из спаев термопары поддерживают при постоянной температуре (например, при 0С, помещая его в лед, находящийся в равновесии с водой). Другой спай помещают в тот объем, температуру которого требуется измерить. Температура спаев контролируется с помощью жидкостных термометров. Меняя температуру Т₂ и измеряя термоэдс, получают набор t и  , по которым определяют удельную термоэдс термопары С.

Величина С сильно зависит от рода спаиваемых металлов. В табл. 1 приведены величины удельной термоэдс для некоторых металлов и спаев, наиболее часто применяющихся при изготовлении термопар.

Таблица 1

Величины удельной термоэдс для некоторых металлов

и сплавов по отношению к свинцу.

Название металла или сплава	Удельная термоэдс мкВ/K
Хромель Нихром Медь Платина-родий Свинец Платина Алюмель Никель Константан Копель	+24 +18 +3.2 +2.0 0.0 -4.4 -17.3 -20.8 -38 -38

Экспериментальная часть.

1. Собрать установку по схеме (рис.3). Включить в сеть цифровой вольтметр и подготовить его к измерениям.

2. Измерить температуры спаев t₁ и t₂ с помощью жидкостных термометров и занести в таблицу 2.

3. Включить медленный нагрев одного из сосудов.

4. Произвести серию измерений термоэдс не реже, чем через каждые 5 градусов. Данные занести в таблицу 2.

5. По указанию преподавателя убрать нагреваемый сосуд, поместить вместо него исследуемый объект и измерить термоэдс цепи. По калибровочному графику определить температуру объекта.

6. Изобразить графически зависимость  от t. Убедится в том, что приближенно выполняется линейная зависимость.

7. Провести обработку экспериментальных данных (табл. 2) методом наименьших квадратов, т.е. найти уравнение прямой  = С (t₂ -t₁). Используя результаты расчета, построить прямую, аппроксимирующую экспериментальные точки, нанесенные на график.

8. Записать результат расчета С с указанием абсолютной и относительной погрешности.

Таблица 2

Результаты измерений и вычислений

N.N	t1 C 	t2 C	, мV
1 : n

Контрольные вопросы.

1. В чем заключается и как объясняются явления Зеебека, Пельтье и Томсона?

2. Что такое термопара и где она используется? В чем ее преимущество перед жидкостными термометрами?

3. Что такое работа выхода электрона?

4. Что такое удельная термоэдс и как она определяется?

5. Как определить по результатам градуировки неизвестную температуру?

Литература:

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Учеб. Пособие. В 3-х т. Т.1. Механика. Молекулярная физика. – 3-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит. 1986. 432 с.

4. Зисман Г. А., Тодес О. М.. Курс общей физики для втузов: в 3 т. Т. 2. - М.: Наука, 1974. - 340 с.

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Цель работы: получить вольтамперную характеристику полупроводникового термосопротивления (ПТС), получить зависимость сопротивления ПТС от температуры, определить ширину запрещенной зоны для исследуемого полупроводника.

Приборы и принадлежности: полупроводниковое термосопротивление, реостат, миллиамперметр, вольтметр, термошкаф, источник постоянного напряжения, измерительный мост.