Теоретичні відомості

Ефект Зеєбека – виникнення е.р.с. в електричному колі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних напівпровідників або напівпровідника і металу, якщо температура контактів різна. У невеликому інтервалі температур термо-е.р.с. ε можна розглядати з достатньою для практичної цілі точністю, пропорційною різниці температур ΔТ:

ε = αΔТ (4.1)

Якщо термоелектричне коло складене з послідовно з’єднаних електронного і діркового напівпровідників, то їх термо-е.р.с. складаються:

ε₁₂=(α₁+ α₂) ΔТ= α₁₂ΔТ, (4.2)

де α₁₂ – коефіцієнт диференціальної термо-е.р.с., що характеризує пару напівпровідників. Коефіцієнт α₁₂ залежить в першу чергу від матеріалу віток термопари, а також від інтервалу температур, в якому використовується або досліджується термопара; у багатьох випадках із зміною температури він навіть може змінювати знак. Напівпровідникові термопари мають значно більшу термо-е.р.с., ніж термопари з металів. Причини цього полягають у наступному: в металах концентрація вільних зарядів велика (порядку 10 м^-3) і не залежить від температури; кінетична енергія сильно виродженого електронного газу металу практично не змінюється з температурою, як і контактний потенціал на його границях. Термо-е.р.с. термопар з металів при таких умовах не перевищують декількох мікровольт на градус.

У напівпровідниках із зміною температури різко змінюється концентрація і кінетична енергія вільних носіїв заряду. Крім того, контактний потенціал і пов’язаний з ним рівень Фермі в напівпровідниках також являються функціями температури. Тому термо-е.р.с. напівпровідникових термопар складає сотні мікровольт на градус.

У невеликому інтервалі температур коефіцієнт термо-е.р.с. напівпровідникової термопари можна визначити з формули:

α₁₂ = ε₁₂/ΔТ, (4.3)

де ε – термо-е.р.с., ΔТ – різниця температур між гарячим спаєм термопари і її холодними кінцями. Для визначення α₁₂ необхідно створити різницю температур між спаєм і холодними кінцями віток термопари, а потім визначити цю різницю температур ΔТ вимірювальною термопарою, а виникаючу при цьому термо-е.р.с. потенціометром (В7-21).

Рис.4.1. Схема установки для дослідження ефекту Заебека.

Стержні із напівпровідникових зразків 1 (р – типу) і 2 (n – типу) створюють спай при допомозі мідної пластинки і припою, з яким в тепловому контакті знаходиться гарячий спай вимірювальної диференціальної термопари (мідь – константант (7)) і нагрівник (5). Холодний спай вимірювальної термопари знаходиться в тепловому контакті з холодними кінцями досліджуваної напівпровідникової термопари, з’єднаними мідними стержнями 3 і 4, які занурені в термостат з маслом 8. Включивши нагрівник 5, створити різницю температур між спаєм і холодними кінцями віток термопари 1, 2; а виникаючу при цьому термо-е.р.с. досліджуваної термопари ε₁₂ визначити цифровим вольтметром (6). Змінюючи величину струму, що проходить через нагрівник 5, вимірювати значення ε₁₂ і ΔТ, а потім вирахувати коефіцієнт термо-е.р.с. при різних температурах нагрівного спаю:

1. Виміряти термо-е.р.с. досліджуваної термопари при різних температурах гарячого спаю через 10-20 К до 373 К.

2. Розрахувати значення коефіцієнта термо-е.р.с. досліджуваної термопари при різних температурах гарячого спаю і побудувати графіки залежності ε = f(ΔТ) і α₁₂ = f(ΔТ_сп).