Вказівки до виконання роботи

Перед виконанням роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: класична теорія електропровідності металів; робота виходу електронів з металу; контактна різниця потенціалів; термоелектричні явища та їх практичне використання [1, §§ 102-104, 246, 247; 3, §§ 77,78; 4, §§ 60, 62, 63].

 

Під термоелектричними розуміють групу фізичних явищ (явища Зеебека, Пельтье та Томпсона), зумовлених існуванням взаємозв’язку між тепловими та електричними процесами в металах (а також у напівпровідниках).

Явище Зеебека. Якщо спаї 1 та 2 двох різнорідних металів, які утворюють замкнуте коло (рис.3.3.1) підтримувати при різних температурах, то в колі буде протікати струм під дією термоелектрорушійної сили. Зміна знаку у різниці температур спаїв супроводжується зміною напрямку струму.

Термоелектрорушійна сила (термо- ЕРС) обумовлена двома причинами. Як відомо, рівень Фермі залежить від температури. Тому стрибок потенціалу (внутрішня різниця потенціалів) для спаїв, що знаходяться при різних температурах, буде неоднаковим і сума стрибків потенціалу для всього кола відмінна від нуля. Одного цього було б досить для виникнення діючої у вказаному на рис. 3.3.1 стрілкою напрямку ЕРС.

Щоб зрозуміти другу причину виникнення термо-ЕРС, розглянемо однорідний металевий провідник, вздовж якого є градієнт температури (рис.3.3.2). В цьому випадку концентрація електронів з більш високою енергією (W>W_F) біля нагрітого кінця буде більше, ніж біля холодного; а концентрація електронів з більш низькою енергією (W<W_F) буде, навпаки, біля нагрітого кінця менше. Вздовж провідника виникає градієнт концентрації електронів з даним значенням енергії, що викликає дифузію більш швидких електронів до холодного кінця, а більш повільних – до гарячого.

Дифузійний потік швидких електронів буде більшим, ніж потік повільних електронів. Тому поблизу холодного кінця утворюється надлишок електронів, а поблизу гарячого – їх недолік. В результаті всередині провідника виникає електричне поле, яке напрямлене назустріч градієнту температури. Воно буде зменшувати потік швидких електронів. Коли обидва потоки зрівноважаться в кожному перерізі, то настане рівноважний стан. При цьому на кожній ділянці провідника довжиною d x буде відбуватись зміна потенціалу dj, що відповідає зміні температури dT на цій же ділянці.

Таким чином, термо-ЕРС e складається з суми внутрішньої контактної різниці потенціалу і суми зміни потенціалу, що викликані дифузією носіїв струму:

.

Не вдаючись у деталі, відзначимо, що для багатьох пар металів термоелектрорушійна сила прямо пропорційна різниці температур спаїв:

.                                      (3.3.1)

Величину a називають питомою термо-ЕРС даної пари металів. Вона показує як змінюється термо-ЕРС при зміні різниці температур спаїв на 1 К. Для більшості пар металів a має порядок 10^-5 ¸ 10^-4 В/К; для напівпровідників вона може бути значно більшою (до 1,5×10^-3 В/К). В окремих випадках питома термо-ЕРС слабко залежить від температури. Як правило, зі збільшенням різниці температур спаїв термо-ЕРС змінюється не за лінійним законом, а досить складним чином.

Явище Зеебека використовується для вимірювання температур. Відповідний пристрій називається термопарою, що є двома дротинами, виготовленими з різних металів, або сплавів, кінці яких спаяні (рис.3.3.3). Один спай вміщують у середовище, температуру якого слід виміряти, а другий – у середовище з відомою сталою температурою (наприклад, у посудину з льодом при 0⁰ С). Оскільки термо-ЕРС, що виникає в термопарі (3.3.1), пропорційна різниці температур спаїв DТ, то за показами гальванометра визначають вимірювану температуру. Питома термо-ЕРС залежить від температури, тому для практичної роботи потрібно мати значення a у всьому діапазоні різниці температур. З цією метою будують графік залежності термо-ЕРС e від різниці температур спаїв DТ.

Термопари мають ряд переваг порівняно зі звичайними термометрами: вони дають змогу вимірювати температуру в широкому діапазоні – від десятків до тисяч градусів абсолютної шкали. Термопари мають велику чутливість і тому дають змогу вимірювати дуже малі різниці температур (до 10^-3 К). Так, термопари залізо-константан застосовують для вимірювання температур до 500⁰ С і мають чутливість 5,3×10^-5 В/К. Термопара платина-платинородій (90% платини і 10 % родію) має чутливість 6×10^-6 В/К, її використовують для вимірювання температур від дуже низьких до 1500⁰ С.

За допомогою термопари можна не тільки вимірювати температуру, а й стежити за її зміною в часі. Можливість встановлення гальванометра на значному віддаленні від термопари дає змогу проводити дистанційне вимірювання температури. Це дозволяє вимірювати, наприклад, розподіл температурного поля в будівельних конструкціях при їх виготовленні або експлуатації. При вивченні фізико-хімічних процесів, які протікають при формуванні структури будівельного матеріалу, широко використовується диференціальний термографічний аналіз, у якому теплота, що виділяється або поглинається матеріалами, також вимірюється за допомогою термопар. Щоб збільшити чутливість термопар, застосовують їх послідовне з’єднання, які називають термобатареями, або термостовпчиками.

Схема установки для градуювання термопари (рис.3.3.4) складається з термопари 1; приладу для вимірювання термоструму (гальванометра) 2; термометра для гарячого спаю термопари 3, нагрівника 4. Холодний спай термопари перебуває при кімнатній температурі.

 

Хід роботи

1. У коло термопари ввімкнути прилад (рис. 3.3.4), що вимірює термострум.

2. Визначити температуру холодного спаю, яка дорівнює температурі навколишнього повітря.

3. Увімкнути нагрівник. Записати у табл. 3.3.1 покази гальванометра та термометра, який вимірює температуру гарячого спаю (6-8 значень).

4. Вимкнути нагрівник. У процесі охолодження записати температури гарячого спаю, які відповідають тим самим показам гальванометра.

5. Використовуючи характеристики гальванометра (C_Г - ціну поділки шкали та R_Г - внутрішній опір), розрахувати термо-ЕРС у вольтах:

.

6. Обчислити середні значення температури, які відповідають раніше підрахованим значенням термо-ЕРС.

7. Дані вимірювань занести до таблиці 3.3.1.

8. Побудувати графічну залежність , де DТ - різниця температур гарячого та холодного спаїв термопари.

9. Визначити за допомогою графіка питому термо-ЕРС ()

Таблиця 3.3.1

Покази гальванометра, поділки n	Термо-ЕРС e, В	Температура гарячого спаю термопари, 0С			Різниця температур
		при нагріванні	при охолодженні	Середнє значення

 

Контрольні запитання

1. У чому полягає суть термоелектричних явищ?

2. Як розуміти роботу виходу електрона з металу і яка її розмірність?

3. Пояснити виникнення різниці потенціалів при контакті двох металів, чи викликає вона виникнення струму в колі і чому?

4. У чому суть термо-ЕРС?

5. Який фізичний зміст питомої термо-ЕРС a?

6. Що являє собою термопара, термоелемент і термобатарея?

7. Де використовуються термопари в науці та техніці?