Лабораторная работа № 7 градуирование термопары

Цель работы — исследование зависимости термо-э.д.с. термопары от разности температур спаев и построение градуировочного графика.

Приборы и принадлежности: термопара, нагреватель, сосуды с водой, термометры, установка для измерения термо-э.д.с.

Краткие сведения из теории

Явление Зеебека состоит в том, что в электрической це­пи, состоящей из нескольких разнородных проводников, возникает электродвижущая сила (термо-э.д.с.), если контакты между проводниками поддерживаются при различных температурах. Электрическая цепь, состоящая из двух различ­ных проводников, называется термопарой или термоэлемен­том. Как показывает опыт, в относительно узком интервале температур, различном для разных термопар, термо-э.д.с. Э_Т пропорциональна разности температур горячего Т₁ и холодного Т₂ спаев:

Э_Т = α₁₂(Т₁ – Т₂),

где α₁₂ — коэффициент термо-э.д.с., или удельная термо-э.д.с. данной пары проводников, т.е. термо-э.д.с., возникающая в цепи при разности температур контактов в один градус. Удельная термо-э.д.с. зависит от природы проводников и интервала температур. Она чувстви­тельна к небольшим количествам примесей. Для большин­ства пар металлов α₁₂ составляет 10^-5 — 10^-4 В/К.

Явление возникновения термо-э.д.с. можно наблюдать и при контакте полупроводников. Удельная термо-э.д.с. у полупроводниковых пар больше, чем у металлических (до 10^-3 В/К).

Явление Зеебека используется в измерительных целях, частности для измерения температур. Если один спай термопары поддерживать при постоянной температуре, а дру­гой поместить в исследуемую среду, то по возникающей термо-э.д.с. можно определить температуру среды. Это яв­ление используется также для прямого преобразования теп­ловой энергии в электрическую. Устройства такого рода на­зываются термоэлектрогенераторами. Термоэлектрогенераторы из полупроводниковых материалов обладают гораздо большим к.п.д., чем из металлов.

Возникновение термо-э.д.с. обусловлено рядом причин.

1. Средняя энергия электронов различна в разных про­водниках и пo-разному растет с повышением температуры. Если вдоль однородного проводника существует перепад температур, то электроны на горячем конце приобретают бо­лее высокие энергии и скорости, чем на холодном. Это вле­чет за собой диффузию более быстрых электронов к холод­ному концу, а более медленных — к горячему. В полупровод­никах, в дополнение к этому, концентрация свободных электронов растет с температурой и будет на горячем конце больше, чем на холодном. Поэтому в металлах и полупро­водниках с электронной проводимостью на холодном конце накапливается избыточный отрицательный заряд, на горя­чем — положительный. В процессе накопления заряда воз­никшая на концах проводника разность потенциалов вызы­вает поток электронов в обратном направлении. Благодаря встречным потокам устанавливается динамическое равнове­сие. Алгебраическая сумма изме­нений потенциалов в цепи, вызван­ных упомянутой выше диффузией носителей тока, называется диффу­зионной или объемной составляю­щей термо-э.д.с. В металлах и полупроводниках с дырочной про­водимостью диффундируют в боль­шем числе к холодному концу дыр­ки, которые и создают на нем избыточный положительный заряд. В этом случае потенциал холодного конца проводни­ка выше, чем горячего.

2. Вторая составляющая термо-э.д.с. (контактная) свя­зана с температурной зависимостью внутренней контактной разности потенциалов (к.р.п.). В замкнутой цепи, образован­ной из различных проводников, все спаи которой находятся при одинаковой температуре, алгебраическая сумма всех внутренних контактных разностей потенциалов равна нулю. С изменением температуры спая из­меняется скачок потенциала (внутренняя к.р.п.) при переходе от одного проводника к другому. При различной тем­пературе спаев алгебраическая сумма скачков потенциалов в замкнутой цепи отлична от нуля. Это и есть контактная составляющая термо-э.д.с.

3. Третья причина возникновения термо-э.д.с. заключает­ся в увлечении электронов фононами — квантами энергии теплового колебания кристаллической решетки. Многие про­цессы в кристалле (например, рассеяние частиц) протекают так, как если бы фонон кроме энергии обладал квазиимпульсом. Поэтому колебания кристаллической решетки можно представить как фононный газ, заключенный в пределах кристалла. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов от горячего конца к холодному. Существование такого дрейфа приводит к тому, что электроны, рассеиваемые на фононах, приобретают направленное движение. В результате происходит накопление электронов на холодном конце и обеднение электронами горячего конца, как и в случае диффузии электронов. В дырочных проводниках увлечение дырок фононами (как и диффузия дырок) приводит к тому, что потенциал холодного конца выше, чем горячего. Алгебраическая сумма изменений потенциалов в цепи, вызванная процессом увлечения электронов фононами, называется фононной составляющей термо-э.д.с. При низких температурах эта составляющая может в десятки и сотни раз превышать первые две.

Термо-э.д.с. равна алгебраической сумме всех трех ее составляющих.