Лабораторна робота № 35

1 2 3 4 5 6 7

Ф І З И К А

ФІЗИЧНИЙ ПРАКТИКУМ

Частина ІV

Затверджено заступником начальника

інституту з навчальної роботи для

курсантів та студентів інституту

Житомир

УДК 535

Фізика. Фізичний практикум. Частина ІV

/Розроб. І.С. Сапожников. – Житомир: ЖВІРЕ. 2005. - 76 с.

“Фізичний практикум. Частина ІV” містить завдання до шести лабораторних робіт з дослідження електропровідних властивостей металів та напівпровідників, явища термо-е.р.с. при контакті різних металів, p-n – переходу, магнітних вла-стивостей феромагнетиків, а також взаємодії іонізуючого ви-промінювання з речовиною, що відповідають чинній програ-мі курсу фізики для вищих технічних навчальних закладів. Методика проведення лабораторних робіт розроблена стар-шим викладачем Сапожниковим І.С.

ПЕРЕДМОВА

Збірка завдань до лабораторних робіт “Фізика. Фізичний практикум. Частина ІV” є результатом багатолітньої роботи ви-кладачів кафедри фізики ЖВІРЕ.

У збірку ввійшли шість лабораторних робіт з дослідження температурної залежності опорів металів і напівпровідників, контактних явищ для металів та напівпровідників, внутрішнього фотоефекту, магнітних властивостей феромагнетиків, а також взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною. Всі лабо-раторні роботи відповідають чинній програмі курсу фізики (розділ “Фізика твердого тіла”) для вищих технічних навчальних закладів, а також можуть бути використані при проходженні курсу “Хімічні основи матеріалознавства”

До кожної лабораторної роботи зроблено стислий теоретич-ний вступ, який дозволяє зорієнтуватись під час підготовки до роботи, користуючись підручниками та конспектами, а також указана додаткова література.

В розробці, вдосконаленні методики проведення і модерні-зації лабораторних робіт брали участь кандидат технічних наук доцент В.І. Черников, старший викладач І.С. Сапожников, викладачі Л.О. Видай, Л.І. Гончарова, О.В. Сащук та інженерно-технічний персонал кафедри. З метою єдиного підходу і вимог до виконання лабораторного практикуму збірка “Фізика. Фізич-ний практикум. Частина ІV” розроблена за загальною редакцією І.С. Сапожникова.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 35

ДОСЛІДЖЕННЯ ЯВИЩА ТЕРМО-Е.Р.С.

Мета роботи:

дослідити характеристики термопар при контакті різних металів.

Перед виконанням роботи необхідно ознайомитись з такими питаннями курсу фізики.

1. Розподіл Фермі-Дірака. Рівень Фермі в металах.

2. Робота виходу електронів з металу.

3. Контакт двох металів. Зовнішня і внутрішня контактна різни-ця потенціалів.

4. Явище термо-е.р.с. Термопара.

ЗАВДАННЯ

1. Дослідити залежності термо-е.р.с. від різниці температур двох спаїв різних металів.

2. Визначити коефіцієнти термо-е.р.с. для різних термопар.

3. Визначити енергію Фермі в металі та швидкість фермієвих електронів.

ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП

Електрони провідності не можуть самочинно покидати метал у помітній кількості. Це означає, що для електронів метал являє

собою потенціальну яму глибиною (рис.1). Потенціальна енергія електрона від’ємна і зв’язана з потенціалом точки, в якій він знаходиться, за формулою

, (35-1)

де - потенціал всередині металу, е – заряд електрона.

Відповідно до принципу Паулі на кожному енергетичному рівні може знаходитись не більше двох електронів з протилеж-

ним спіном. Найвищий енергетичний рівень, заповнений елек-тронами при температурі Т = 0, називається рівнем Фермі. Енер-

гія рівня Фермі відраховується

від дна потенціальної ями і зале-

жить від концентрації електронів

провідності n за формулою

, (35-2)

де h – стала Планка, m –маса елек-

трона.

Робота, яку необхідно виконати

для видалення електрона з металу, називається роботою виходу. Термодинамічною роботою виходу А називається робота при видаленні електрона з рівня Фермі на рівень з потенціальною енергією П = 0, яка чисельно дорівнює

. (35-3)

При контакті двох різних металів між ними виникає контактна різниця потенціалів, яка спричинена переходом електронів з одного металу в інший.

На рис.2,а зображені два різних метали М та М до контакту, а також відповідні потенціальні ями для електронів провідності.

а) б)

Рис.2

У них різні роботи виходу А, глибини потенціальних ям , енергії рівнів Фермі , а отже й концентрації електронів про-відності n.

Нехай рівень Фермі в першому металі лежить вище, ніж у дру-гому. Тоді при виникненні контакту між ними електрони з ви-щих рівнів металу М почнуть переходити на більш низькі рівні металу М . В результаті цього потенціал першого металу зро-стає, а другого – зменшується. Перехід електронів відбувати-меться доти, доки не зрівняються рівні Фермі обох металів. При цьому потенціальна яма першого металу опуститься, а другого – підніметься згідно з формулою (35-1), як показано на рис.2, б.

З цього рисунку видно, що потенціальна енергія електрона в безпосередній близькості (~10 м) до поверхні металу М буде на величину менше, ніж біля металу М . Отже, між точ-ками А та В, що знаходяться зовні біля поверхонь металів, вста-новлюється зовнішня різниця потенціалів

. (35-4)

Всередині металів при переході від т.С до т. D потенціальна енергія електронів зростає на величину . Таким чином, між внутрішніми точками двох металів виникає внутрішня різ-ниця потенціалів

. (35-5)

Треба відмітити, що енергія Фермі в металах залежить від тем-ператури відповідно до формули

, (35-6)

де - енергія Фермі при Т = 0, k – стала Больцмана, Т – абсо-лютна температура.В зв’язку з цим має місце залежність зовніш-

ньої та внутрішньої різниці потенціалів від температури, хоча й

дуже незначна.

Відповідно до 1-го закону Вольта (1797 р.), при дотиканні двох провідників з різних металів між ними виникає контактна різниця потенціалів, величина якої залежить від хімічного скла-ду речовини провідників та температури. Ряд Вольта, в якому кожний попередній метал при дотиканні з будь-яким наступним матиме вищий потенціал, ніж наступний, виглядає так:

Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd.

2-й закон Вольта полягає в тому, що при послідовному лан-цюгу контактуючих різних металів за однакових температур різ-ниця потенціалів між крайніми провідниками не залежить від хі-мічних властивостей проміжних, а визначається природою пер-шого і кінцевого провідників. З нього випливає такий висновок: у замкнутому колі спаїв різних металів за однакової температури сума стрибків потенціалів дорівнює нулю, тобто е.р.с. у такому колі дорівнює 0.

Зовсім інша ситуація складається, якщо місця спаїв різних металів підтримувати при різних температурах. Явище термо-електричного струму (відкрив Зеебек у 1821 р.) полягає в тому, що при підтриманні неоднакової температури спаїв двох різних металів у колі тече електричний струм.

Електричне коло, що складається з двох різних металів, нази-вається термопарою (рис.3). Якщо місця контактів металів 1 та

2 підтримувати при температурах

і ,то в колі виникає електрич-

ний струм, а отже, діє термо-е.р.с.

Величина термо-е.р.с. Е зале-

жить від природи контактуючих

металів та різниці температури

Рис.3 спаїв. Зміна знаку в різниці тем-ператур супроводжується зміною напряму струму.

Для багатьох пар металів у досить широкому діапазоні темпе-ратур величина термо-е.р.с. залежить лінійно від різниці температур спаїв, тобто

Е , (35-7)

де - коефіцієнт термо-е.р.с., який залежить від природи мета-лів термопари, - різниця температур спаїв.

Виникнення термо-е.р.с. спричиняється такими трьома факто-рами:

- залежністю енергії Фермі від температури (контактна складова термо-е.р.с.);

- переважною дифузією електронів від нагрітого кінця провід-ника до холодного (дифузна складова термо-е.р.с.);

- підштовхуванням електронів фононами від нагрітого кінця провідника до холодного (фононна складова термо-е.р.с.).

ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

В лабораторній роботі досліджуються дві термопари: мідь-константан (Cu – Ko) і манганін-ніхром (Mng – Nh), термо-е.р.с. яких відрізняються приблизно на порядок, тобто в 10 разів. Тер-мопари змонтовані в окремих установках, які схематично пред-ставлені на рис.4.