Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ТЕРМОЭ.Д.С.

Лабораторная работа №6

ГРАДУИРОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕМЕНТА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ТЕРМОЭ.Д.С.

Цель работы. Усвоение понятий о природе носителей заряда и термоэлектрических явлений

Задача: градуирование термопары

Приборы и принадлежности: термопара, нулевой гальванометр, два химических стакана, электроплитка, термометр, известное сопротивление на 100 или 200 Ом, соединительные провода.

Краткая теория.

Возникновение эдс (термоэдс) в электрическом контуре, состоящем из двух проводников А и В, контакты между которыми поддерживаются при разных температуpax Т₁ и Т ₂ называется эффектом Зеебека.

Эффект 3еебека используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую (термоэлектрогенераторы) и в термо­метрии.

Градиент температуры создает в проводнике градиент концентраций «холодных» и «горячих» носителей за­ряда. В результате этого возникают два диффузион­ных потока носителей — вдоль и против градиента температуры. Так как скорости диффузии и концентрации «горячих» и «холодных» носителей заряда различны, то на одном конце проводника создается избыточный положительный заряд, а на другом — отрицательный. Поле этих зарядов приводит к установлению стационарного состояния; число носителей, проходящих через по­перечное сечение образца в обоих направлениях, оди­наково. Возникающая диффузионная термоЭДС опре­деляется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью µ, обусловлен­ной характером их взаимодействия с кристаллической решеткой, фононами, примесями и т. д.

В металлах электронный газ вырожден* и термоЭДС определяется только различием подвижностей «горя­чих» и «холодных» электронов.

* Внутри металла совокупность свободных электронов проводимости образует электронный газ. Уровни энергии электронов в газе подчинены так называемому распределению Ферми-Дирака:

где E_F. − ферми−энергия, равная по значению химическому потенциалу φ. Электроны газа совершают хаотическое движение между положительными ионами, это движение ограничивается так называемой ферми-поверхностью.

При температуре Т = 0 К на этой поверхности находятся электроны с максимальной для -273°C энергией, которая называется ферми-энергией E_F. (рис.1). При не слишком высоких температурах уровни сильно вырождены, и все нижние уровни заселены полностью − вероятность существования электрона с такой энергией равно единице (100%). При повышении температуры некоторые электроны могут выходить за пределы этой поверхности − границу. В узком интервале (порядка kT) около значения ферми-энергии вероятность заселенности уровней меняется плавно от 1 до нуля. Форма ферми-поверхности для разных металлов и сплавов различна, работа выхода электрона также различна. Вследствие разницы ферми−энергий возникает разность потенциалов на границе соприкосновения двух различных металлов − контактная электродвижущая сила, правда для металлов она незначительная

В полупроводниках термоЭДС обусловлена зависимостью от Т как подвиж­ности, так и концентрации электронов и дырок. Обычно вклад втермоЭДС, связанный с температурной зависи­мостью концентрации * носителей, превышает вклад, обусловленный различием в подвижности µ (Т), хотя последний вполупроводниках (вследствие распределе­ния носителей по Больцману) на несколько порядков больше, чем в ме­таллах. Именно поэтому термоЭДС в полупроводниках значительно выше, чем в металлах.

*Концентрация носителей заряда зависит от температуры. В общем случае по классической теории при термодинамическом равновесии согласно распределению Больцмана-Максвелла заселенность возбужденных уровней экспоненциально растет при повышении температуры:

где n_o, n_i – заселенность нулевого и i −го уровней, E_i− энергия i −го уровня. Такому распределению соответствует концентрация носителей заряда в плазме, электролитах, полупроводниках и изоляторах.

ТермоЭДС контуpa определяется формулой:

, (1)

где α_A и α_В называются абсолютными термоЭДС проводников А и В, Абсолютная термоЭДС — характеристика проводника, равная α= dU/dT, где U — ЭДС, возникающая в провод­нике при наличии в нём градиента температур.

Другое термоэлектрическое явление* — эффект Пельтье: выделение (или поглощение) тепла (в зависимости от направления тока) в местах контактов раз­нородных проводников.

Количество тепла Q пропорционально количеству электричества It, прошедшему через контакт:

Q = π I t, (2)

где I —сила тока, t — время, π — коэффициент Пельтье.

Как термоэлектрическое явление рассматривается эффект Томсона: выделение (или погло­щение) тепла в объеме проводника при протекании тока (в дополнение к теплоте Джоуля), если вдоль проводника существует перепад температур:

Q= ρ (Т₁ — Т₂) I t, (3)

где Т₁, Т₂ — температуры на концах проводника, ρ — коэффициент Томсона. Томсон вывел термодинамические соотношения между α, π, ρ:

π = αТ, (4)

С повышением температуры газов разность давлений будет увеличиваться. Значит напряженность поля, которая должна его уравновешивать, увеличивается. В широких пределах часто разность потенциалов пропорциональна абсолютной температуре.

Если два куска разных металлов (алюминий и железо) спаять как на рис.2, то в местах спаев возникает разность потенциалов, причем на первом спае разность потенциалов направлена противоположно по отношению к разности потенциалов на втором спае. В результате имеем ноль.

Рис.2 Если один из спаев нагреть до T₂ ,, а другой останется при T₁, то разности потенциалов U₂ и U₁, возникающие на разных спаях, не будут уравновешивать друг друга, в цепи возникает ЭДС, равная E = U₂ - U_1. Тогда в цепи пойдет электрический ток. U₂ и U₁ примерно пропорциональны абсолютным температурам. Поэтому возникающую ЭДС называют термоэлектродвижущей силой. ЭДС пропорциональна разности абсолютных температур:

E = α (T₂ -- T₁ ) или E = α (t₂ -- t₁ ) (5)

Рис.3

Можно считать, что термоЭДС есть линейная функция разности температур спаев. Однако для многих металлов зависимость E от t₂−_-t₁ имеет более сложный характер и только при небольших разностях температуры сохраняется точная линейность этой зависимости. При практическом использовании термопары* обычно не выходят за пределы линейной зависимости от t₂ - t₁ и данную термопару характеризуют величиной α из формулы (5). Как видно из этой формулы, величина α численно равна термоэлектродвижущей силе, возникающей в термопаре при разности температур спаев в 1 градус.

* ТЕРМОПАРА — датчик температуры. состоящий из двух со­единённых между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно из металлических проводников, реже из полупроводников) Действие термопары основано на эффекте Зеебека. Если контакты (обы­чно спаи) проводящих элементов, образующих термопару (их часто называют термоэлектродами), находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает ЭДС, величина которой однозначно определяется температурами горячего и холодного контактов и природой материалов, применённых в качест­ве термоэлектродов.

ЭДС термопары из металлических проводников обычно лежит в пре­делах 5—60 мкВ/К. ЭДС термопары из полупроводников может быть на порядок выше. Точность определения температуры с помощью термопары составляет, как правило, нескольких К (градусов), а у некоторых термопар достигает 0,01 К.

Термопары используются в самых различных диапазонах температуры (от нескольких К до примерно 2800 К), Применяются в устройствах для измерения температуры и различных автоматизированных системах управления и контроля. В сочетании с электроизмерительными приборами (милливольтметром, потенциомет­ром и т. п.) термопара образует термоэлектрический термометр.

Задачей настоящей работы является градуирование термопары, т.е. установление действительной зависимости термоЭДС этой термопары от разности температур и определение α в пределах линейного участка. На рис.3 дана схема установки, используемой при выполнении работы. Один конец термопары присоединяется к гальванометру. Переключатель дает возможность включать в цепь и выключать сопротивление R Спаи термопар А и В погружают в стаканы с водой. Туда же опускают термометр. Отсчитывают значение комнатной температуры t₁

Один из стаканов ставят на электроплитку. При положении переключателя К в положение I через гальванометр течет ток:

(6)

где R ₁ - неизвестное сопротивление цепи, состоящей из термопары и гальванометра.

При положении переключателя К в положение II (при той же разности температур) подключается дополнительное известное сопротивление R, и гальванометр покажет ток:

(7)

Из уравнений (6) и (7), исключая неизвестное сопротивление, получим

(8)

Указания к выполнению работы:

1. Подготовить таблицу экспериментальных данных:

2. Погружают термопары в чайники с водой, имеющие одинаковую температуру. При этом цепи тока не будет. Записать ток по гальванометру в обеих положениях переключателя (должно быть =0).

3. Чайник включают. Посчитав 10 сек., выключают чайник. Температура после этого все еще будет подниматься. Когда температура установится (через 5 мин.), записывают ее. Затем только снимают показания гальванометра. Зная цену деления гальванометра, находят для каждого измерения силу тока в миллиамперах. Показания записывают в двух положениях переключателя К.

4. Снова включают чайник, воду продолжают нагревать, а дальше, посчитав 5 сек. выключают. Установившуюся температуру записывают и берут показания гальванометра в двух положениях переключателя II. Таким образом повторяют измерения до тех пор, пока не будет использована вся шкала гальванометра.

5. Остывание: при тех же значениях температуры снимают показания гальванометра в двух положениях переключателя II.

6. Строят график зависимости E=f(Δt). Откладывают по оси абцисс разность температур t ₂ - t₁, а по оси ординат E.

7. Находят значение удельного термоЭДС, рассчитывая его по данным отдельных измерений. Находят среднее значение:

, k = 1,2,3,…n.

Контрольные вопросы:

1. Эффект Зеебека

2. Эффекты Пельтье и Томсона

3. Взаимосвязь между коэффициентами Зеебека, Пельтье и Томсона

4. «Холодные» и «горячие» заряды

5. ТермоЭДС подвижности носителей заряда

6. Контактная термоЭДС

7. ТермоЭДС в металлах

8. ТермоЭДС в полупроводниках

9. Термопара

10. Применение термопары и термоэлементов.

Литература:

1. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985, с.198-202, 422-435.

2. Сивухин Д.В. Электричество. М.: Наука, 1977, с.104-107, 476-497.