Часть VII. Электрический ток в различных средах
ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ.
КAЛИБРОВКА ТЕРМОПАРЫ
Цель работы: Ознакомиться с термоэлектрическими явлениями. Ознакомиться с устройством термопары и принципом измерения температуры с ее помощью. Прокалибровать термопару.
Приборы и принадлежности: термопара, нагревательный прибор, термометры, сосуды с водой, универсальный измерительный цифровой прибор (милливольтметр).
Теоретическое введение.
Тепловые и электрические процессы в проводниках связаны между собой. Это обусловливает ряд явлений, названных термоэлектрическими: явление Зеебека, Пельтье и Томсона.
Я в л е н и е З е е б е к а.
Иллюстрация
явления Зеебека
Чтобы понять сущность этого явления,
введем представление о работе выхода электрона из металла и о контактной разности потенциалов.
Работой выхода электронов называется величина, численно равная наименьшей энергии, необходимой для перемещения электрона из материала в вакуум. При соприкосновении двух разнородных металлов (сплавов, полупроводников) между ними возникает разность потенциалов, вызванная переходом электронов из одного металла в другой. Эту разность потенциалов называют контактной. Контактная разность потенциалов зависит от соотношения концентраций свободных электронов и работ выхода электронов для соприкасающихся металлов.
Обозначим n - концентрация электронов ( 1/м3 )
А - работа выхода электрона ( Дж )
А12 = А1 - А2 - работа перехода электрона из одного металла в другой.
Отметим, что электроны испытывают тенденцию к переходу из области с высокой концентрацией n в область с низкой концентрацией и из металла с низкой работой выхода в область с высокой работой А.
Сочетание этих двух факторов определяет возникающую контактную разность потенциалов
,
где Т - абсолютная температура контакта
k - константа Больцмана
е - элементарный заряд.
Цепь, составленная из двух разнородных проводников, концы которых спаяны, называется термопарой. Для термопары контактные разности потенциалов спаев направлены навстречу друг другу. Поэтому результирующая ЭДС цепи может быть записана
![]()
При разных температурах спаев не равно нулю, что обусловливает возникновение электрического тока. Для небольших различий в температуре спаев соотношение n1/n2 приблизительно постоянно, а разность А12(Т1)-А12(Т2) – мала, поэтому зависимость ЭДС цепи от разности температуры спаев практически линейна.
= C (T1-T2),
где
-
удельная термоэдс данной термопары,
численно равная ЭДС, возникающей при
разности температур спаев в 1 градус.
Для широких диапазонов Т спаев зависимость (Т) имеет четко выраженный нелинейный характер.
Я в л е н и е П е л ь т ь е.
Иллюстрация
явления Пельтье
При смене направления тока охлаждаемый и нагреваемый спаи меняются местами. Таким образом, явление Пельтье оказывается обратным явлению Зеебека.
Количество выделившегося в спае (или поглотившегося) тепла определяется выражением:
Qав = Пав q = Пав I t ,
где q - заряд, прошедший через спай за время t. Пав - коэффициент Пельтье, связанный с удельной термоэлектродвижущей силой термопары С следующим соотношением:
Пав = С Т
Я в л е н и е Т о м с о н а.
Томсон в 1856 году на основании термодинамических соотношений предсказал, что протекание тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, приводит к дополнительному нагреву (или охлаждению) проводника за счет того, что средняя энергия электронов различна в частях проводника с разной температурой.
Изучение термопары, ее градуировка и использование
в качестве термометра.
Как указывалось выше, термопара представляет собой два проводника из разнородных металлов, спаянных своими концами (рис.1). Вследствие зависимости величины возникающей термоэдс от разности температур спаев, термопара нашла широкое применение в качестве термометра. Термопары имеют высокую чувствительность (до 10-6 градуса) и широкий диапазон измеряемых температур (от градусов до двух тысяч градусов).
В общем случае удельная термоэдс термопары С зависит от температуры. Однако некоторые пары металлов имеют величину С, практически постоянную в широком интервале температур. В этом случае зависимость термоэдс от температуры t носит линейный характер :
= С t ,
где t = t2 - t1 - разность температур спаев.
Градуировка термопары заключается в определении константы С (а для более широкого интервала - в получении таблицы или графика зависимости термоэдс от разности температур спаев ).
Схема установки
для градуировки термопары
Один из спаев термопары поддерживают при постоянной температуре (например, при 0С, помещая его в лед, находящийся в равновесии с водой). Другой спай помещают в тот объем, температуру которого требуется измерить. Температура спаев контролируется с помощью жидкостных термометров. Меняя температуру Т2 и измеряя термоэдс, получают набор t и , по которым определяют удельную термоэдс термопары С.
Величина С сильно зависит от рода спаиваемых металлов. В табл. 1 приведены величины удельной термоэдс для некоторых металлов и спаев, наиболее часто применяющихся при изготовлении термопар.
Таблица 1
Величины удельной термоэдс для некоторых металлов
и сплавов по отношению к свинцу.
|
Название металла или сплава |
Удельная термоэдс мкВ/K
|
|
Хромель Нихром Медь Платина-родий Свинец Платина Алюмель Никель Константан Копель |
+24 +18 +3.2 +2.0 0.0 -4.4 -17.3 -20.8 -38 -38 |
Экспериментальная часть.
1. Собрать установку по схеме (рис.3). Включить в сеть цифровой вольтметр и подготовить его к измерениям.
2. Измерить температуры спаев t1 и t2 с помощью жидкостных термометров и занести в таблицу 2.
3. Включить медленный нагрев одного из сосудов.
4. Произвести серию измерений термоэдс не реже, чем через каждые 5 градусов. Данные занести в таблицу 2.
5. По указанию преподавателя убрать нагреваемый сосуд, поместить вместо него исследуемый объект и измерить термоэдс цепи. По калибровочному графику определить температуру объекта.
6. Изобразить графически зависимость от t. Убедится в том, что приближенно выполняется линейная зависимость.
7. Провести обработку экспериментальных данных (табл. 2) методом наименьших квадратов, т.е. найти уравнение прямой = С (t2 -t1). Используя результаты расчета, построить прямую, аппроксимирующую экспериментальные точки, нанесенные на график.
8. Записать результат расчета С с указанием абсолютной и относительной погрешности.
Таблица 2
Результаты измерений и вычислений
-
N.N
t1 C
t2 C
, мV
1
:
n
Контрольные вопросы.
1. В чем заключается и как объясняются явления Зеебека, Пельтье и Томсона?
2. Что такое термопара и где она используется? В чем ее преимущество перед жидкостными термометрами?
3. Что такое работа выхода электрона?
4. Что такое удельная термоэдс и как она определяется?
5. Как определить по результатам градуировки неизвестную температуру?
Литература:
Савельев И.В. Курс общей физики. Учеб. Пособие. В 3-х т. Т.1. Механика. Молекулярная физика. – 3-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит. 1986. 432 с.
Зисман Г. А., Тодес О. М.. Курс общей физики для втузов: в 3 т. Т. 2. - М.: Наука, 1974. - 340 с.
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Цель работы: получить вольтамперную характеристику полупроводникового термосопротивления (ПТС), получить зависимость сопротивления ПТС от температуры, определить ширину запрещенной зоны для исследуемого полупроводника.
Приборы и принадлежности: полупроводниковое термосопротивление, реостат, миллиамперметр, вольтметр, термошкаф, источник постоянного напряжения, измерительный мост.
