Описание - Уральский государственный Экономический

Министерство образования
Российской федерации
Уральский государственный экономический университет
ФИЗИКА
Методические указания к лабораторной работе 3-5
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ЭФФЕКТА
Утверждаю
Первый проректор университета
____________________ А.Т. Тертышный
Екатеринбург
2004
2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ЭФФЕКТА
Цель работы: исследование влияния разности температур на величину термоэлектродвижущей силы.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Если привести два разных металла в соприкосновение, между ними возникнет разность потенциалов, которая называется контактной. Контактная
разность потенциалов вызывается тем, что при соприкосновение металлов
часть электронов переходит из одного металла в другой. Граница металла является потенциальным барьером, ограничивающим выход электрона во
внешнее пространство. Чтобы вырвать свободный электрон из металла, надо
совершить определенную работу. Эта величина называется работой выхода и
зависит от природы металла. Из-за различия в величине работы выхода и
диффузный поток электронов через границу металлов не будет уравновешенным, и металл с меньшей работой выхода зарядится положительно. Подобным образом и различие концентрации свободных электронов в контактирующих металлах приведет к появлению скачка потенциала в месте контакта.
С точки зрения современных представлений, основанных на зонной теории, появление контактной разности потенциалов связано с различной глубиной потенциальных ям (Ер), в которых находятся электроны у поверхности
металлов, и различием уровней Ферми (рис. 1а). Условием равновесия между
контактирующими металлами является равенство энергий, соответствующих
уровням Ферми. Это приводит к изменению положения потенциальных ям
(рис. 1б) и образованию контактной разности потенциалов, величина которой
определяется первым законом Вольты:
ϕ1 − ϕ 2 =
A2 − A1 kT n1
+
ln ,
e
e n2
где е – заряд электрона, Т – температура, k – постоянная Больцмана, A – работа выхода, n – концентрация свободных электронов в металле.
Если из двух разнородных металлов составить замкнутую цепь (рис. 2) и
контакты поддерживать при разной температуре ТA и ТB , то в цепи пойдет
ток. Причиной появления тока является возникновение термоэлектродвижущей силы. Контактная разность потенциалов, возникающая в спае с большей
температурой, окажется больше, чем в холодном. В результате между спаями
возникает разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой
(т.э.д.с.).
3
4
Величина термоэ.д.с. зависит только от разности температур и свойств
металлов. Во многих случаях оказывается, что т.э.д.с. пропорциональна разности температур спаев:
ε = α ΔT
Величина α называется удельной т.э.д.с. или дифференциальной т.э.д.с.
Для металлов величина α порядка десятков мкВ. К –1 и, как правило, слабо зависит от температуры. У полупроводников она на один-два порядка больше и
сильно зависит от температуры.
Удельная т.э.д.с. зависит от концентрации свободных электронов в контактирующих материалах. При введении в один из них или в оба примесей,
изменяющих эту концентрацию, но практически не влияющих на кристаллическую структуру, изменяется α.
Вместе с тем удельная т.э.д.с. является структурно чувствительным параметром, существенно меняющимся при структурных превращениях.
Т.э.д.с. широко используется для измерения температур, контроля состава сплавов, структурных изменений и т.д. Измерение температуры осуществляется с помощью термопары: цепи разнородных проводников, имеющие
два контакта-спая. Зная температуру одного спая, можно, замерив величину
ε, определить температуру среды, в которой находится другой спай. Этим
пользуются для измерения очень высоких и низких температур, а также в
случаях, когда нельзя воспользоваться термометром. Для измерения температуры с помощью термопары, ее надо предварительно проградуировать, т.е.
определить удельную т.э.д.с. в данном интервале температур. Каждой термопарой можно измерять температуру в определенных пределах, в которых
дифференциальная т.э.д.с. данной термопары практически не зависит от температуры. Подобрав соответствующую термопару , можно производить измерения с точностью до сотых долей градуса, как при низких, так и при высоких температурах. Если же приходится использовать термопару, для которой удельная т.э.д.с. зависит от температуры (α = f(T)), используются градуировочные таблицы или графики ε = f(T). Для измерения низких температур используется пара хромель-алюмель (ХА). Эта термопара градуируется в
данной работе.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.
Для градуировки термопары используют либо среды с известными температурами (тающий лед, кипящую воду, плавящийся чистый металл ), либо
высокоточный термометр, измеряющий температуру в месте спая, как показано на рис.3
Нагревание горячего спая термопары осуществляется с помощью печи, в
которую вместе с термопарой помещается термометр (Т). Холодный спай
5
6
лучше поместить в среду с заданной температурой (например, в тающий
лед), однако в наших измерениях холодным спаем служат контакты проводников измерительной цепи (рис.3), небольшие колебания которой ( 1-2 0 )
практически не сказываются на требуемой точности измерений.
ХОД РАБОТЫ.
1. Собрать цепь по схеме на рис.3.
2. Включить печь.
3. Исследовать зависимость т.э.д.с. от разности температур контактов в интервале температур 20-1500С. Считать, что холодный контакт имеет комнатную температуру. Температура горячего спая определяется термометром. Температуру и т.э.д.с. фиксировать через каждый милливольт.
4. Получить аналогичную зависимость при уменьшении температуры от 150
до 20 0.
5. Построить графики зависимости ε (ΔΤ) при нагревании и охлаждении.
6. Вычислить удельную т.э.д.с. α и оценить погрешность.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Каковы причины возникновения контактной разности потенциалов и
т.э.д.с.?
2. Объяснить возникновение контактной разности потенциалов с точки зрения зонной теории.
3. Объяснить причины влияния состава контактирующих металлов на т.э.д.с.
4. Где применяются термопары?
5. Почему холодный спай термопары может быть заменен контактами различных проводников измерительной цепи?
Составители:
Б.И.
Бортник,
Л.М.
Н.П. Судакова
Рецензент:
Ю.В. Панков
7
Веретенников,
Г.А.
Кожина,
8