Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений для ауд. 415

Ι) Проверить на рабочем месте правильность сборки схемы установки, согласно монтажной схеме(см. рис. ниже)

Рис. Монтажная схема: А - потенциометр, В - электропечь с термопарами, С - источник питания печи, ТХА -хромель-алюмелеваятермопара.

ΙΙ) Прежде, чем включить источник питания в сеть (ТЕС-88),необходимо ручки грубой и точной регулировки тока I установить в крайнее правое положение, вращая их по часовой стрелке до упора, а ручки грубой и точной регулировки напряжения U в крайнее левое положение, вращая их против часовой стрелки до упора. Затем включить источник питания в сеть. Ручкой грубой регулировки напряжения U установить напряжение 4,0 В. После подогрева печи в течение 5 минут, произвести измерения т. э. д. с.датчика-температуры(термопары ТХА) и т. э. д. с. исследуемых термопар №1 и №2. Для этого подготовить прибор Р4833 к работе:

Порядок работы с прибором Р4833 при измерении ЭДС и напряжения:

1. Перед началом работы все кнопки потенциометра должны быть отжаты!

2.Нажмите кнопки «Г», «БП», «НЭ», «П».

3.Нажмите кнопку « 1».

4.Произведите установку (контроль) рабочего тока первого контура потенциометра. Для этого установите стрелку гальванометра на ноль вращением ручек рабочий ток «1 » (грубо) и «1 » (точно) вначале при нажатой кнопке , затем при нажатой кнопке .

5.Нажмите кнопку « 2».

6.Произведите установку (контроль) рабочего тока второго контура потенциометра. Для этого установите стрелку гальванометра на ноль вращением ручек рабочий ток «2 » (грубо) и «2 » (точно) вначале при нажатой кнопке , затем при нажатой кнопке .

7.Подключите объект измерения к зажимам «-x»,«mV», соблюдая полярность.

8.Произведите измерение:

•Нажмите кнопку «I».

•Добейтесь полной компенсации измеряемого напряжения, установив стрелку гальванометра на ноль вращением ручек декадных переключателей «×10Ω (mV)», «×1Ω

(mV)», «×0.1Ω (mV)», «×0.01Ω (mV)» вначале при нажатой кнопке , затем при нажатой кнопке .

•Значение измеренного напряжения в mV будет равно сумме показаний декад.

ΙΙΙ) В дальнейшем, увеличивая каждый раз напряжение на 1,0 В, до величины равной 8,0 В, последовательно произвести измерения т. э. д. с. εТХА ,ε X 1,ε X 2 как указано в пунктах 7 и 8. Занести все значения в таблицу 1.

						Таблица 1
№	ε X 1, мВ	ε X 2 ,мВ	εТХА, мВ	∆t , град	CX 1, мВ/град	CX 2 , мВ/град
		СРЕДНЕЕ

ΙV) Используя график термопары ТХА (см. на следующей странице) , по значению εТХАнайти ∆t . Данные записать в таблицу №1.

V) Зная величины т. э. д. с. ε X 1 иε X 2 , и ∆t , на одной координатной сетке построить графики зависимостиε X 1 иε X 2 , как функции от ∆t .

VΙ) По формуле C =ε / ∆t рассчитать постоянные термопарCX 1 иCX 2 и вычислить их средние значения. Окончательно заполнить таблицу 1.

Рис. График термопары ТХА

Внутренняя и внешняя контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления (явления Зеебека, Пельтье и Томсона)

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Итальянский физик А. Вольта установил, что если металлы Аl, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называется рядом Вольта. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых до целых вольт.

Вольта экспериментально установил два закона:

1. Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2. Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Для объяснения возникновения контактной разности потенциалов воспользуемся представлениями зонной теории. Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А₁ и А₂, т.е. с различными положениями уровня Ферми (верхнего заполненного электронами энергетического уровня). Если A₁<A₂(этот случай изоб­ражен на рис. 330, а), то уровень Ферми располагается в металле 1 выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, что приведет к тому, что металл 1 зарядится положительно, а металл 2 — отрицательно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле, заряжающемся положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицатель­но, — вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, которое, как доказывается в статистической физике, характеризуется совпадением уровней Ферми в обоих металлах (рис. 330, б).

Так как для соприкасающихся металлов уровни Ферми совпадают, а работы выхода А₁ и A₂ не изменяются (они являются константами металлов и не зависят от того, находятся металлы в контакте или нет), то потенциальная энергия электронов в точках, лежащих вне металлов в непосредственной близости к их по­верхности (точки А и В на рис. 330, б), будет различной. Следовательно, между точками А и В устанавливается разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

(246.1)

Разность потенциалов (246.1), обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов. Чаще говорят просто о контактной разности потенциалов, подразумевая под ней внешнюю.

Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов не одинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

(246.2)

В квантовой теории доказывается, что причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является различие концентраций электронов в контак­тирующих металлах. Dj'' зависит от температуры T контакта металлов (поскольку наблюдается зависимость Е_F от T), обусловливая термоэлектрические явления. Как правило, Dj''<<Dj'.

Если, например, привести в соприкосновение три разнородных проводника, имеющих одинаковую температуру, то разность потенциалов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциала во всех контактах. Она, как можно показать (предоставляем это сделать читателю), не зависит от природы промежуточных проводников (второй закон Вольта).

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает в двойном электрическом слое, образующемся в приконтактной области и называемом контактным слоем. Толщина контактного слоя в металлах составляет примерно 10^–10 м, т. е. соизмерима с междоузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих в диффузии через контактный спой, составляет примерно 2% от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Столь незначительное изменение концентрации электронов в контактном слое, с одной стороны, и малая по сравнению с длиной свободного пробега электрона его толщина — с другой, не могут привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с остальной частью металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и через сами металлы, т.е. контактный слой проводит электрический ток в обоих направлениях (1®2 и 2®1) одинаково и не дает эффекта выпрямления, который всегда связан с односторонней проводимостью.

Термоэлектрические явления.

Термоэлектрические явления-совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Термоэлектрическими явлениями являются эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.

Эффект Зеебека.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает ЭДС (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающейтермоэдс зависит только от материала проводников и температур горячего (T₁) и холодного (T₂) контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс E можно считать пропорциональной разности температур:

E = α₁₂(T₂ − T₁), где α₁₂ — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс)

В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако строго говоря, он зависит и от температуры и в некоторых случаях с изменением температуры α₁₂ меняет знак.

Более корректное выражение для термоэдс:

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов, равная

, где F — энергия Ферми, e — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

Эффект Пельтье.

Заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока через контакт двух разных проводников. Эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека.

Сущность эффекта Пельтье состоит в том, что при прохождении электрического тока через контакт двух металлов или полупроводников в области их контакта в дополнение к обычному джоулеву теплу выделяется или поглощается дополнительное количество тепла, называемого теплом ПельтьеQ_п. В отличие от джоулева тепла, которое пропорционально квадрату силы тока, величина Q_п пропорциональна первой степени тока.

Q_п = П^.I^.t.

t — время прохождения тока,

I — сила тока.

П — коэффициент Пельтье, коэффициент пропорциональности, зависящий от природы материалов, образующих контакт. Коэффициент Пельтье П = Т Da, где Т— абсолютная температура, а Da —разность термоэлектрических коэффициентов проводников. От направления тока зависит, выделяется или поглощается тепло Пельтье.

Причина возникновения эффекта заключается в том, что в случае контакта металлов или полупроводников на границе возникает внутренняя контактная разность потенциалов. Это приводит к тому, что потенциальная энергия носителей по обе стороны контакта становится различной, так как средняя энергия носителей тока зависит от их энергетического спектра, концентрации и механизмов их рассеяния и различна в разных проводниках. Так как средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, в разных проводниках различается, в процессе соударений с ионами решетки носители отдают избыток кинетической энергии решетке, и тепло выделяется. Если при переходе через контакт потенциальная энергия носителей уменьшается, то увеличивается их кинетическая энергия и электроны, сталкиваясь с ионами решетки, увеличивают свою энергия до среднего значения, при этом тепло Пельтье поглощается. Таким образом, при переходе электронов через контакт электроны либо передают избыточную энергия атомам, либо пополняют ее за их счет.

При переходе электронов из полупроводника в металл энергия электронов проводимости полупроводника значительно выше уровня Ферми металла, и электроны отдают свою избыточную энергию. Эффект Пельтье особенно велик у полупроводников, что используется для создания охлаждающих и обогревающих полупроводниковых приборов, в том числе для создания микрохолодильников в холодильных установках.

Эффект Томсона.

Заключается в дополнительном выделение или поглощение тепла (в зависимости от направления тока), помимо тепла, выделяемого в соответствии с законом Джоуля — Ленца, при прохождении тока через проводник, в котором имеется перепад температуры. Если вдоль проводника с током существует градиент температур, то в каждой единице объема проводника будет поглощаться или выделяться, в зависимости от направления тока, тепло, пропорциональное току и градиенту температуры.

Количество выделенного тепла Q_т (теплота Томсона) пропорционально силе тока I, времени t и перепаду температур (Т₁-Т₂) и определяется следующим образом:

Q_т = (Т₁-Т₂)It.

Коэффициент пропорциональности — коэффициент Томсона, — зависит от природы материала.

Явление Томсона проявляется во всем объеме термоэлектрического вещества.

Эффект Томсона объясняется аналогично эффекту Пельтье. Если вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, и если ток течет в направлении возрастания температуры, то электроны движутся из мест с более высокой температурой и более высокой кинетической энергией в области с более низкой температурой. В результате происходит торможение электронов, которые передают избыточную энергию окружающим атомам в процессе столкновения, т.е. выделяется теплота. Для дырок эффект имеет обратный знак.