1. Титульный лист;

2. Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);

3. Исходные данные и данные эксперимента;

4. Графики L = f(t °С) и μ_H (t °С) для исследуемых образцов;

5. Значение точки Кюри для феррита;

6. Определенные значения индукции насыщения, остаточной индукции, коэрцитивной силы, удельных магнитных потерь;

7. Расчет температурных коэффициентов магнитной проницаемости ТКμ для интервала температур t₁ - t₂ºC, заданного преподавателем.

8. График зависимости TKμ = f(t °С) для феррита.

9. Контрольные вопросы

1. В каких элементах и устройствах радиотехники применяются альсиферы, а в каких ферриты?.

2. Структура и маркировка ферритов.

3. Какие материалы относятся к ферритам?

4. Состав альсиферов.

5. Какие знаете методы измерения магнитной проницаемости?

6. Что такое магнитный материал?

7. Дать определение ферромагнетикам, антиферромагнетикам, ферримагнетикам.

8. Понятие домена, доменной границы

9. Определения точек Кюри, Нееля.

10. Отличие магнитомягкого материала от магнитотвёрдого.

11. В чем различие между ферро - и ферримагнетиками по свойствам, и применению.

12. Объяснить методику измерения индуктивности методом "нулевых биений".

13. Дать сравнительную оценку ферритов и магнитомягких сплавов по параметрам.

Литература

1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники.- М.: Высшая школа,1986. - 367 с.

2. Материала микроэлектронной техники / Под ред. В.М.Андреева.- М.: Радио и связь. 1989. - 352 с.

Лабораторная работа № 6 Исследование термоэлектрического эффекта

Цель работы

1. Изучение контактных явлений и термоэлектродвижущей силы.

2. Исследование термопар.

Пояснения к работе

Контактные явления

При соприкосновении двух разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов. Согласно квантовой теории основной причиной появления разности потенциалов на контакте является различная энергия Ферми у сопрягаемых металлов. Так как кинетическая энергия электронов, находящихся на уровне Ферми, в различных металлах различна, то при контактировании материалов возникает переход электронов из области с большим значением анергии в область, где эта энергия меньше, т.е. если энергия Ферми металла А больше, чем у металла В, то из металла А электроны будут переходить в металл В. Фактически переход электронов из металла А в металл В означает переход электронов в данной системе на более низкие энергетические уровни. В результате этого металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно, т.е. между ними возникает разность потенциалов, препятствующая дальнейшему переходу носителей заряда. И когда работа электрона по преодолению сил возникшего электрического поля станет равной разности энергии электронов уровней Ферми, наступит равновесие. Таким образом, внутренняя контактная разность потенциалов определяется разностью энергий Ферми для различных металлов. Так как скорости хаотического движения электронов весьма велики, равновесие установится очень быстро - за время τ = 10^-10 с. Очевидно, что в условиях равновесия уровень Ферми в обоих металлах будет одинаковым. Так как энергия Ферми в металлах имеет значение порядка нескольких электронвольт, то контактная разность потенциалов между двумя металлами может составлять десятые доли вольта. Очевидно, что при конструировании элементов радиоэлектронной аппаратуры эту разность потенциалов необходимо учитывать.

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект также возникает при контакте двух разнородных металлов. При различной температуре мест контакта (Т₁ и T₂) в замкнутой цепи из двух металлов возникает термоэлектрический ток (рис.1), т.е. если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах цепи появится термоЭДС. По имени первооткрывателя это явление получило название эффекта Зеебека.

Рис.1. Иллюстрация термоэлектрического эффекта: а)общий случай, б)термопара

На некотором температурном интервале термоЭДС ε прямо пропорциональна разности температур контактов (спаев):

(1)

где а_T - коэффициент, характеризующий дифференциальную удельную термоЭДС, зависящий от природы контактирующих проводников и температуры Т₁ и Т₂.

Эта термо-э.д.с. объясняется тремя причинами.

Первая из них обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, так как в металлах с увеличением температуры уровень Ферми уменьшаеться. Следовательно, на холодном конце проводников он будет выше, чем на горячем, вследствие этого равновесие нарушается и возникает контактная составляющая термоЭДС.

Вторая составляющая термоЭДС обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным, так как средняя энергия электронов в металле изменяется от температуры. Тогда электроны, сосредоточенные на горячем конце, будут обладать большей кинетической энергией и большей скоростью движения по сравнению с электронами холодного конца. Следовательно, они будут диффундировать в направлении от горячего конца к холодному.

Третья составляющая термоЭДС возникает в контуре вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии (фононами). Их поток также распространяется к холодному концу.

Следует отметить, что термоэлектрический эффект является обратимым. То есть, если через цепь, состоящую из двух различных проводников, пропустить электрический ток, то тепло будет выделяться в одном контакте и поглощаться в другом.

Обратный эффект был открыт Жаном Пельтье и назван его именем. Теплота Пельтье связана с силой тока линейкой зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.

Термоэлектрический эффект положен в основу работы термоэлементов (термопар), преобразующих тепловую энергию в электрическую. Термопары получили широкое распространение в измерительной технике для измерения температур.

С точки зрения практического использования милливольтметр к термопаре подключается в соответствии с рис.1,б. Такое включение позволяет иметь только одно место спая разнородных металлов, которое является рецептором температуры в измеряемой точке, а второй контакт (холодный) металлов обеспечивается через измерительный прибор. Очевидно, что для получения однозначности преобразования тепловой энергии. В электрическую в соответствии с выражением (1) необходимо обеспечить стабилизацию температуры холодного контакта.

Необходимо отметить, что в соответствии с представленными объяснениями причин возникновения термоЭДС в однородном проводнике, т.е. изготовленном из одного металла, при наличии градиента температуры на концах его также возникает разность потенциалов. Ее значение, отнесенное к единичной разности температур на концах проводника, называется абсолютной удельной термоЭДС. Следовательно, в термопаре дифференциальная удельная термоЭДС a_T представляет собой разность абсолютных удельных термоЭДС составляющих ее проводников:

(2)

где и - абсолютные удельные термоЭДС контактирующих металлов А и В.

Из выражения (2) следует, что если известно абсолютное значение удельной термоЭДС одного материала, принятого в качестве эталона, то для любого другого материала этот параметр легко получить экспериментально с помощью измерений относительно этого эталона. Для определения абсолютных термоЭДС в качестве эталона, как правило, используется свинец, у которого термоэлектрические свойства выражены очень слабо. Знак термоЭДС считается отрицательным, если горячий конец проводника заряжается положительно. Численные значения абсолютной удельной термоЭДС для различных металлов и сплавов приводятся в справочной литературе, например: [ l, 2 ] , см. лаб. раб. N5.

Материалы, применяемые для термопар

Теоретически термоЭДС можно получить из любых сочетаний металлов и сплавов. На практике же желательно, чтобы термоЭДС была достаточно большей, чтобы электросопротивление термопары было не слишком высоким, чтобы характеристика зависимости ε = f(Т) была линейной, а диапазон измеряемых температур достаточно большим. Материалы для термопар должны иметь возможно более высокую точку плавления, обладать хорошей стабильностью α_Т, должны легко обрабатываться. Термоэлектроды должны обладать достаточной коррозионной стойкостью и быть устойчивыми против окислительного и восстановительного действия среды. В процессе эксплуатации в результате окалинообразования или окисления не должны изменяться их термоэлектрические свойства. Легирующие элементы, входящие в состав сплавов, не должны диффундировать наружу в результате селективного окисления или испаряться при высокой температуре. Выполнение этих условий необходимо для получения линейной и стабильной зависимости термоЭДС от температуры в течение длительного срока эксплуатации.

Анализ данных величины термоЭДС, развиваемых различными материалами ( [1, 2] , лаб. раб. №5), показал что наибольшая ее величине достигается в неметаллических полупроводниковых материалах, но вышеперечисленным практическим требованиям удовлетворяют только некоторые сплавы и их комбинации из металлических компонентов.

В настоящее время для интервала температур от 20 до 2000 К определено семь различных комбинаций сплавов, для которых имеются международные таблицы зависимости термоЭДС от температуры.

В отечественной практике наиболее часто для термопар применяются следующие сплавы:

• копель (56 % Сu и 44 % Ni);

• алюмель (95 %, остальные Al, Si, Mn);

• хромель (90 % Ni и 10% Сг);

• платинородий (90 %Pt и 10 % Rh).

Из чистых металлов применяются платина, железо, медь.

Из сплавов и металлов, не вошедших в международный стандарт, в промышленности применяют константан - сплав меди 60 % и никеля 40 %; вольфрам, молибден, рений, иридий.

Задание к работе

1. Усвоить теоретические обоснования контактных явлений, эффекта Зеебека и эффекта Пельтье.

2. Изучить материалы и конструкции термопар.

3. Снять экспериментальные зависимости термоЭДС от температуры для следующих термопар: хромель-копель, хромель-алюмель, медь-копель.

4. По результатам эксперимента построить графики ε = f(T).

5. По экспериментальным кривым для исследованных термопар по формуле (1) найти значения α_T для трех интервалов температур, заданных преподавателем.

Содержание отчета

1. Титульный лист;

2. Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);

3. Исходные данные и данные эксперимента;

4. Графики ε = f(T) для исследуемых термопар;

5. Расчет значений α_T для трех интервалов температур, заданных преподавателем;

6. Выводы.

Описание лабораторной установки

Установка состоит из печи, в основании которой размещены два нагревательных элемента (рис.2) и датчик цифрового термометра (либо ртутный термометр). На тыльной стороне печи установлены исследуемые термопары. Термопары установлены таким образом, что место спая (горячие концы) находится внутри печи, а холодные концы выведены через теплоизолирующую стенку печи наружу. Измерение термоЭДС производится при помощи блока усилителя, в котором находятся милливольтметр mV и усилитель У. Переключатель SA2 на блоке усилителя служит для коммутации исследуемых термопар.

Рис.2. Функциональная схема установки: 1- корпус печи с теплоизоляцией; 2- нагревательные элементы; 3- ртутный термометр; 4- усилитель постоянного тока. Х-К; Х-А; М-К- исследуемые хромель - копель, хромель - алюмель, медь – копелевая термопары соответственно

Порядок проведения лабораторной работы

1. Изучается исполнение установки и конструкции термопар.

2. К сети 220 В подключается блок усилителя и тумблером SA3 «СЕТЬ» подается на него питание. О включении питания свидетельствует сигнальная лампа на лицевой панели блока. Спустя 2-3 мин после включения усилителя ручкой "установка 0" при необходимости подстраивается ноль милливольтметра. К сети 220 В подключается шнур печи и включается кнопочный выключатель SA1 подачи питания на нагревательные элементы печи.

Внимание! Для увеличения точности измерений рекомендуется нагревательные элементы периодически отключать, включать.

3. Производится снятие зависимостей в диапазоне температур от комнатной до 150 °С ε = f(Т) для трех термопар, при этом подключение исследуемой термопары к усилителю производится переключателем SA2. расположенном на лицевой панели блока усилителя, а тип подключенной термопары соответствует условному обозначению, определяемому положением ручки переключателя.

4. Строятся экспериментальные зависимости исследованных термопар и производятся необходимые вычисления.

Контрольные вопросы

1. Дать определение эффекта Зеебека.

2. Дать определение эффекта Пельтье.

3. Сущность эффекта Томсона.

4. Теоретическое обоснование эффекта Зеебека.

5. Теоретическое обоснование эффекта Пельтье.

6. Какие металлы и сплавы применяются для термопар?

7. Область применения термоэлектрического эффекта.

8. Какие термопары обладают наибольшей термоЭДС, а какие - наибольшей термостабильностью? Почему?

Литература

1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники. - М.: Высшая школа, 1966.- 448 с.

2. Куинн Т. Температура: Пер.с англ. - М.: Мир, 1985.- 448 с.

3. Приборы для измерения температуры контактным способом /Под общ. ред. Р.В.Бычковского.- Львов: Вища школа , 1978.-208 с.