Влияние градиента температуры на свойства резистивного материала

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Самарский государственный аэрокосмический университет

Имени академика С.П.Королева

(национальный исследовательский университет)»

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО МАТЕРИАЛАМ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

САМАРА 2012

УДК СГАУ: 621.315

Составитель: А.В. Архипов

Рецензент канд. техн. наук, доц. И.А.Кудрявцев

Лабораторный практикум по материалам электронных средств: метод. указания к лаб. работам/ сост. А.В. Архипов.- Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2012. - 40с.

Предназначен для изучения электротехнических свойств материалов, широко используемых в элементах электронной техники. Содержит краткие теоретические сведения, а также указания к проведению экспериментов и составлению отчета.

Рекомендуется для студентов, обучающихся по специальностям 210201.65 «Проектирование и технология РЭС», 200401,65 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», 210601.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы» и направлениям 210400.62 «Радиотехника», 200500.62 «Лазерная техника и лазерные технологии», 201000.62 «Биотехнические системы и технологии», 211000.62 «Конструирование и технология электронных средств», 210100.62 «Электроника и наноэлектроника».

Работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОЭДС МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: исследование температурной зависимости термоЭДС различных пар металлов и сплавов.

Задания:

1. Снять зависимость термоЭДС образцов материалов от температуры.
2. Рассчитать коэффициент термоЭДС исследуемых пар материалов.
3. Дать интерпретацию полученным результатам.

Теоретические сведения

Влияние градиента температуры на свойства резистивного материала

Составляя цепи из двух металлических проводников и нагревая один из контактов до более высокой температуры, чем другой, можно получить термоэлектродвижущую силу, которая для данной пары будет только функцией температур. Подбирая материалы, имеющие меньшую термоэлектродвижущую силу, пользуются ими для создания резисторов, способных работать в радиоэлектронной аппаратуре в условиях значительных градиентов температуры. Материалы с большой термоЭДС используют для измерения температуры (термопара). В измерительных приборах и образцовых сопротивлениях стремятся применять металлы и сплавы с возможно меньшей термоэлектродвижущей силой относительно меди, чтобы не внести погрешности в измерения. Существует пары, меняющие знак ЭДС в процессе нагревания.

Отрыв электрона от нейтрального атома связан с затратой энергии, необходимой для преодоления электростатических сил притяжения между ними. Это энергия, выраженная в электрон-вольтах, получила название потенциала ионизации вещества (аналогично для твердых тел – работа выхода электрона). Физический смысл работы выхода становится понятен при рассмотрении энергетической диаграммы электронов в кристаллическом твердом теле. При образовании кристаллической решетки (вследствие сближения атомов) энергетические барьеры между соседними атомами снижаются настолько, что электроны зоны проводимости приобретают возможность свободно перемещаться по всему кристаллу. В то же время потенциал на поверхности кристалла остается таким же, как и у изолированного атома. Поэтому за работу выхода электрона принимается минимальный интервал энергии , необходимый для удаления электрона из кристалла, и измеряется она от самого верхнего уровня, занятого электронами (при 0 К) – уровня Ферми.

Рассмотрим, как изменяются энергетические диаграммы при соприкосновении двух металлов.

Следует иметь ввиду, что не только при высокой, но и при достаточно низкой температуре имеется определенное количество электронов, обладающих энергией большей . При этом, чем меньше работа выхода, тем больше таких электронов. Поэтому при соприкосновении металлов между ними начинается обмен «высокоэнергетическими» электронами. Предположим, что работа выхода у первого металла меньше, чем у второго (рис. 1). В этом случае электронный ток, протекающий слева направо, будет больше тока, протекающего в обратном направлении. Следовательно, поверхность второго металла будет заряжаться отрицательно, а на поверхности первого металла появится некомпенсированный положительный заряд.

Рис. 1 – Энергетические диаграммы металлов до контакта.

Процесс преимущественного перетекания зарядов продолжается до тех пор, пока возникшая вследствие этого разность потенциалов между металлами не скомпенсирует разность работ выхода между металлами:

, (1)

где - заряд электрона; - контактная разность потенциалов; , - работы выхода металлов.

Энергетическая диаграмма, характеризующая этот процесс, показана на рис. 2.

Рис. 2 – Энергетические диаграммы металлов после образования контакта.

Оценим количество электронов, которое должно перейти из первого металла во второй, чтобы создать равновесную разность потенциалов . Если принять , зазор между металлами , то напряженность электрического поля в зазоре составит . Принимая во внимание, что для плоского конденсатора справедливо выражение , для плотности поверхностного заряда получим

. (2)

Число атомов на поверхности металла по порядку величины составляет 10¹², следовательно, в первом металле 0,1% поверхностных атомов будет ионизировано, а во втором такое же количество атомов получит избыточный отрицательный заряд. После этого уровни Ферми обоих металлов сравняются. При переходе часть электронов из первого металла во второй изменяются также величины и , однако ввиду того, что количество перешедших электронов гораздо меньше общего количества электронов в зоне проводимости 10²², изменения работ выхода металлов практически не происходит.

ТермоЭДС

Сущность явления термоЭДС состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных различных металлов, возникает электродвижущая сила, если сварные контакты двух разнородных материалов поддерживаются при различных температурах. В простейшем случае, когда такая цепь состоит из двух различных металлов (рис. 3), она носит название термопары.

Рис. 3 – Схема включения термопар.

Возникновение термоЭДС в цепи объясняется двумя причинами: положение уровня Ферми в каждом проводнике является функцией температуры; наличие градиента температур в проводнике приводит к возникновению градиента концентраций носителей заряда.

В первом приближении зависимость уровня Ферми в металлах от температуры определятся следующим выражением:

, (3)

где - положение уровня Ферми при Т=0 К.

К примеру, в меди уровень Ферми снижается на 80 мкэВ при повышении температуры от 0 К до комнатной температуры.

Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что термоЭДС термопары зависит от разности температур между холодным и горячим контактами и для небольших интервалов температур с достаточной для практических цепей точностью подчиняется соотношению

, (4)

где - величина термоЭДС, - коэффициент термоЭДС для данной пары металлов.

Если оба сварных контакта находятся при одинаковой температуре, то их термоЭДС равны по величине и направлены противоположно, а, следовательно, суммарная термоЭДС равна 0. С увеличением температуры одного из контактов в нем активизируются процессы диффузионного перемещения заряда, в результате чего появляется дополнительная разность потенциалов.

Для однозначного определения полярности и величины термоЭДС поступают следующим образом. Для цепи из двух проводников А и Б, в которых контакты находятся при температурах и , определяется величина , имеющая положительный знак, если через горячий контактов течет ток от А к Б, т.е. в направлении стрелок, указанных на рис.3. Величины , взятые с учетом знака, образуют термоэлектрический ряд напряжений, причем в качестве проводника А используется один и тот же металл – платина.

Следует, однако, иметь в виду, что наличие термоЭДС не всегда является положительным фактором. В частности, при создании прецизионных измерительных мостов постоянного тока в отдельных ветвях последнего могут возникать дополнительные источники ЭДС вследствие неодинаковой температуры контактов металлических соединений, образующих электрическую цепь. Появление непредвиденных источников ЭДС вносит значительные погрешности в процесс измерения параметров цепи.

Схема экспериментальной установки для изучения термоЭДС металлов приведена на рис. 4. На нем даны обозначения: Т – встроенный термошкаф, В – вольтметр, - сопротивление нагревательного элемента, в котором расположены горячие концы контактных пар металлов. В качестве эталонного электрода используется материал хромель Х. Исследуемые образцы – сплавы алюмель А, копель К. Измерения температуры осуществляется с помощью термопары ХА. Измерение термоЭДС производится с помощью милливольтметра постоянного тока. Переключение термопар осуществляется с помощью переключателя S1.

Рис. 4 – Схема установки для изучения термоЭДС металлов.