_2-12

Электрические явления на контактах

Цель работы: изучить электрические явления на контактах и количественно оценить удельную ЭДС термопары и коэффициента Пельтье.

Работа содержит два упражнения: 1. Изучение явления Зеебека. 2. Изучение явления Пальтье.

Приборы и принадлежности: экспериментальная установка, милливольтметр, набор термопар.

Теоретическое введение.

При соприкосновении двух проводников электроны вследствие теплового движения переходят их одного проводника в другой. Если соприкасающиеся проводники различны или если их температура в разных точках не одинакова, то оба потока диффузии не одинаковы и один из проводников заряжается положительно, а другой – отрицательно. Поэтому в пограничном слое между проводниками появляется электрическое поле, уравновешивающее разность диффузионных потоков. Существованием диффузионных полей обусловлен ряд электрических явлений, таких как:

1. Работа выхода электронов их металла.

2. Внутренняя контактная разность потенциалов (внутренняя КРП):

(1)

3. Внешняя контактная разность (внешняя КРП):

(2)

Явление Зеебека открыто в 181 г. и заключается в том, что в термопарах, спаи которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС).

(3)

Коэффициент называют удельной (дифференциальной) термоЭДС.

Явление Пельтье открыто в 1834 г. и заключается в том, что если пропускать ток через термопару, то в одном спае будет выделять тепло, а в другом – поглощаться. Опытным путем установлено, что количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла пропорционально заряду q, прошедшему через спай:

(4)

Где I – ток в термопаре; t – время процесса выделения тепла. Коэффициент пропорциональности П₁₂ называется коэффициентом Пельтье.

Изучение явления Зеебека.

Мы проградуировали две термопары по известной зависимости термо ЭДС эталонной термопары. При градуировке термопар, т.е. получении зависимости , сняли значения термо ЭДС с соответствующего прибора , а значения температуры при данном ε определили по таблице для эталонной термопары.

Определили значения термо ЭДС всех трех термопар при нагревании, поочередно нажимая кнопочные выключатели. Трехкратные измерения повторили через минуту.

Результаты измерений занесли в таблицу №1.

Таблица №1 – зависимость термо ЭДС от температуры.

№	Разность температур ∆T	Температура горячего спая, t С	ТермоЭДС, мВ
			Эталон хромель-алюмель	Медь-константан	Железо-константан
1	9	10	0,4	0,1	0,1
2	11	30	1,2	0,6	0,4
3	31	50	2,02	1,1	0,8
4	51	70	2,85	1,7	1,2
5	71	90	3,68	2,3	1,6
6	91	110	4,51	2,9	1,9
7	111	130	5,33	3,7	2,3
8	131	150	6,13	4,3	2,7
9	151	170	6,93	5,1	3,1
10	171	190	7,73	5,8	3,5
11	191	210	8,53	6,5	3,9
12	211	230	9,34	7,3	4,3
13	231	250	10,15	8,1	4,8
14	251	270	10,97	9,0	5,3
15	271	290	11,80	9,8	5,8

Используя формулу (3), определим удельную термо ЭДС градуируемых термопар в интервалах температур: 0-100°С, 100-200°С, 200-300°С. Результаты представим в таблице №2.

Для эталона (при t 0-100°С):

Δε₁=3,68-0,40=3,28 мВ

ΔТ=90-10=80 К

α₁==0,041мВ/К

Для эталона (при t 100-200°С):

Δε₂=7,73-4,51=3,22 мВ

ΔТ=190-110=80 К

α₂==0,040 мВ/К

Для эталона (при t 200-300°С):

Δε₃=11,80-8,53=3,27мВ

ΔТ=290-210=80 К

α₃==0,041 мВ/К

Аналогично находится удельная термо ЭДС для медь – константан и железо – константан.

Результаты представили в таблице №2.

Таблица №2 – удельная термоЭДС градуируемых термопар.

Термопары	Удельная термоЭДС (α), мВ/К
	0-100°С	100-200°С	200-300°С
Хромель-алюмель	0,041	0,040	0,041
Медь-константан	0,028	0,036	0,041
Железо-константан	0,019	0,020	0,023

По результатам измерений построили график зависимости.

График зависимости термо ЭДС от температуры “горячего” спая всех трех термопар.

Изучение явления Пельтье.

Переключили тумблер в положение «Эффект Пельтье» и установили потенциометром ток термобатарей, равный 0,2 А. Затем, дождавшись стабильных показаний милливольтметра, результаты занесли в таблицу №3. Повторили операцию при 3 значениях тока (0,4;0,6;0,8). Затем при максимальном значении тока I=0,8 А, переместив переключатель в нейтральное положение, с помощью секундомера через каждые 5 секунд (до 50 сек.) зафиксировали значения Т горячего спая при выключении тумблера, а результаты занесли в таблицу №4. Такую же процедуру проделали и для спая в обратном направлении (т.е. для холодного спая).

Таблица №3 –График зависимости Q_{Пельтье}/t от тока I.

Ток I, А	Т свободной стороны горячего спая	Т рас-сеива-теля	Т свободной стороны при обратном направлении	Т рас-сеива-теля	ΔТ, К	Qn/t
0,2	30,0	21,2	23,0	28,3	14,1	0,09
0,4	39,3	21,1	16,2	39,2	41,2	0,27
0,6	51,4	23,9	10,2	30,7	48,0	0,31
0,8	69,7	25,5	5,4	32,7	71,5	0,46

Таблица №4 – Разность температур.

Время t, c	T горячего спая при выкл., Tг	Т* рассеивателя	T холодного спая при выкл., Тх	Т** рассеивателя	Разность тем-р горячего и хол-го спаев ΔТ, в зависимости от времени t	Разность темп-р ∆Т* только горячего спая в зав-ти от времени на основе колонки 2
0	69,0	27,5	5,2	33,0	69,3	41,5	0,599
5	64,1	27,5	9,0	31,5	59,1	36,6	0,619
10	57,2	27,4	13,7	31,1	47,2	29,8	0,631
15	51,5	27,4	17,0	31,1	38,2	24,1	0,631
20	47,9	27,4	19,1	31,0	32,4	20,5	0,633
25	45,1	27,4	22,3	31,0	26,4	17,7	0,670
30	42,7	27,4	23,1	31,0	23,2	15,3	0,659
35	41,0	27,4	23,9	30,9	20,6	13,6	0,660
40	39,8	27,4	24,3	30,8	18,9	12,4	0,656
45	38,7	27,4	24,8	30,8	17,3	11,3	0,653
50	37,0	27,4	25,3	30,7	15,0	9,6	0,64

ΔТ=(Т_г-Т^*рассеивателя)-( Т_х-Т^**рассеивателя).

По результатам измерений построили график.

Г

рафик зависимости ΔТ^*/ΔТ от t.

t,c

, тогда , зависимость должна быть линейной от времени и угловой коэффициент этой прямой

Где Q_ТП – количество теплоты, прошедшее через перегородку;

λ – коэффициент теплопроводности материала пластин;

ΔТ – разность температур между горячим и холодным спаями ячейки;

t – время;

S – площадь сечения пластин;

d – толщина одной пластины.

Термоэлектрический модуль Пельтье состоит из двух керамических пластин площадью 1600 мм², толщиной 0,75 мм каждая. Удельная теплоемкость материала плаcтин C=0,9*10³ Дж/кгК., масса пластины m=6г. Между платинами находятся 127 полупроводниковых элементов.

Для тока 0,2:

Q_n/t₁=0,09 кг/с³

Для тока 0,4:

Q_n/t₂=0,27 кг/с³

Для тока 0,6:

Q_n/t₃=0,31 кг/с³

Для тока 0,8:

Q_n/t₄=0,46 кг/с³

Теперь можно определить зависимость Q_n/t от I. Построим график зависимости Q_n/t от I по результатам расчетов.

Г

Q_n/t, кг/с³

рафик зависимости Q_n/t от I.

I,A

Из формулы (4) можно найти коэффициент Пельтье П_п в зависимости с изменением тока.

П_П1=0,003

П_П2=0,005

П_П3=0,004

П_П4=0,004

Вывод: В ходе проделанной работы, была количественно оценена удельная термо-ЭДС термопары. Как видно из проделанной работы, α зависит от концентрации электронов в металлах, составляющих термопару. В отдельных случаях α слабо зависит от температуры, и тогда он остается одинаковым для данной термопары в широком интервале температур. Однако в некоторых случаях концентрация электронов заметно меняется при изменении температуры, и тогда α является константой для узких интервалов температур.

В ходе проделанной работы было также выяснено, что если пропускать ток через термопару, то в одном спае будет выделяться тепло, а в другом поглощаться. Опытным путем установлено, что количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла пропорционально заряду, прошедшему через спай. Если поменять направление тока, то изменяется знак коэффициента и знак теплоты. Если в одном спае выделялось, то при изменении направления тока в нем будет поглощаться тепло. При переходе через границу (контакт) электроны избыточную энергию передают кристаллической решетке при столкновениях с ней, и спай нагревается. При переходе в металл, в котором электрон имеет меньшую энергию, чем все остальные, он дополняет этот дефицит за счет энергии решетки, и спай охлаждается. Тепло Пельтье пропорционально первой степени тока, и его знак зависит от направления тока, что показывает его отличие от Джоулево тепла.