Лабораторной работа №11 «Определение коэффициента термо-э.Д.С. Термопары».

Цель работы: градуирование термоэлемента, состоящего из десяти последовательно включенных термопар и определение коэффициента термо-э.д.с. термопары.

Приборы и принадлежности: макет установки, милливольтметр, мост.

Рекомендуемая литература:

1. Савельев И. В. Курс общей физики. – М.: Наука. 1989–т.1-3.

2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. Высшая школа, 2002.

Содержание контрольных вопросов.

15. Расскажите о термоэлектрических явлениях.

16. Какими видами энергии обладают электроны зоны проводимости?

17. Какой уровень энергии называется уровнем Ферми?

18. Какая физическая величина называется термодинамической работой выхода электрона из металла?

19. Как связана работа выхода с положением уровня Ферми?

20. Какими процессами обусловлено возникновение термо-э.д.с.?

21. Выведите соотношение для суммы контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи, состоящей из двух металлов.

22. Каков физический смысл α?

23. Дайте определение потенциала и напряженности электростатического поля? Как связаны и ?

24. Начертите схему установки и расскажите по ней ход выполнения работы.

25. Для каких целей используются термопары? Какими преимуществами они обладают по сравнению с жидкостными термометрами?

Задание на подготовку к работе:

4. При подготовке к выполнению лабораторной работы и к ее защите необходимо изучить теоретический материал по указанной литературе и данную методическую разработку.

5. Ответить на контрольные вопросы.

6. Подготовить заготовку отчета по лабораторной работе, включив в нее:

а) цель работы;

б) электрическую схему установки;

в) записать основные соотношения с пояснениями;

г) заготовить таблицу для результатов измерений.

Описание установки.

В качестве материалов, из которых изготовлена термобатарея, использованы сплавы хромель и константан. Выводы термобатареи подключены к клеммам C и D, к которым подключается милливольтметр, служащий для измерения термо-э.д.с. (рис. 1)

Н ечетные спаи (ТБ) помещены внутрь небольшого сосуда, температура Т₂ которого измеряется термометром. С целью

термостатирования сосуд заполнен порошком окиси алюминия, который обладает хорошей теплопроводностью и высокими изоляционными свойствами. Четные спаи прикреплены вокруг чехла термометра сопротивления через изолирующий слой. Термометр сопротивления (ТС) вместе с четными спаями термопар помещается внутрь нагревателя Н. Нагреватель питается от понижающего трансформатора (Тр), напряжение на вторичной обмотке которого 30 В. Первичная обмотка включается в сеть напряжением 220 В.

Порядок выполнения работы.

1. Присоединить милливольтметр к клеммам CD термобатареи ТБ. Допустимо начинать измерения при наличии начальной ЭДС.

2. Подключить к клеммам АВ мост для измерения сопротивления термометра сопротивления. Измерить начальное сопротивление.

3. Включить первичную обмотку трансформатора Тр в сеть.

4. Через каждые 5-10 мВ регистрировать показания милливольтметра, измеряя соответствующие значения R термометра сопротивления. Нагревание производить не выше 200 ºC.

5. При достижении температуры 180 ºC выключить питание нагревателя.

6. Определить температуру Т горячих спаев, пользуясь градуировочной кривой термометра сопротивления (табл.1)

Таблица 1

Температура, ºС	Сопротивление, Ом	Температура, ºС	Сопротивление, Ом
-30	88,04	+100	139,10
-20	92,04	+110	142,95
-10	96,03	+120	146,78
0	100,00	+130	150,60
+10	103,96	+140	154,41
+20	107,91	+150	158,21
+30	111,85	+160	162,00
+40	115,78	+170	165,78
+50	119,70	+180	169,54
+60	123,60	+190	173,29
+70	127,49	+200	177,03
+80	131,37	+210	180,76
+90	135,24	+220	184,48

7. Записать результаты измерений в виде таблицы 2.

Таблица 2.

№ п/п	Н А Г Р Е В А Н И Е			Температура холодных спаев Т2	Разность температур Т1 - Т2
		R	T1

8. Построить график на миллиметровой бумаге. По оси абсцисс отложить значения (Т₁ – Т₂), а по оси ординат – значение . Затем определить коэффициент термо-э.д.с.

,

где n – число термопар (n = 10),

- термо-э.д.с.,

(Т₁ – Т₂) – соответствующая разность температур.

9. Вычислить среднее значение коэффициента термо-э.д.с.

Приложение.

Между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках имеется связь, которая обуславливает явления, называемые термоэлектрическими. К их числу принадлежат явление Зеебека, явление Пельтье и явление Томсона.

Явление Зеебека заключается в том, что в случае, если спаи 1 и 2 двух разнородных металлов, образующие замкнутую цепь (рис.2), имеют неодинаковую температуру, в цепи течет электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока. Это явление используется для измерения температур. Соответствующее устройство называется термопарой. Термопара представляет собой два разнородных проводника, спаянных с одного конца. Спай помещают в ту среду, температуру которой хотят измерить. Два других конца подключают к милливольтметру для измерения возникающей термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.). Предварительно термопару градуируют.

Термо-э.д.с. обусловлена тремя причинами:

1. Зависимостью уровня Ферми от температуры.

2. Диффузией электронов (или дырок).

3. Увеличением электронов фононами.

Уровень Ферми зависит от температуры

.

Поэтому скачок потенциала при переходе из одного металла в другой (т. е. внутренняя контактная разность потенциалов) для спаев, находящихся при разных температурах, неодинаков, и сумма скачков потенциала отлична от нуля. Одного этого было бы достаточно для возникновения действующей в указанном на рис. 2 направлении э.д.с., равной:

Полученное выражение можно представить следующим образом:

(1)

Д ля выяснения второй причины возникновения термо-э.д.с. рассмотрим однородный металлический проводник, вдоль которого имеется градиент температуры (рис.3). В этом случае концентрация электронов с E>E_F у нагретого конца будет больше, чем у холодного; концентрация электронов с E<E_F будет больше у холодного конца. Вдоль проводника возникает градиент концентрации электронов с данным значением энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных – к теплому. Диффузионный поток быстрых электронов будет больше, чем поток медленных электронов. Поэтому вблизи холодного конца образуется избыток электронов, а в близи горячего – их недостаток. Это приводит к возникновению диффузионного слагаемого термо-э.д.с.

При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к менее нагретому. В результате происходит накапливание электронов на холодном конце и обеднение электронами горячего конца, что приводит к возникновению «фононного» слагаемого термо-э.д.с.

Оба процесса – диффузия электронов и увлечение электронов фононами – приводят к образованию избытка электронов вблизи холодного конца проводника и недостатка их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. При определенном значении напряженности E^* поля сумма диффузионного и фононного потоков электронов становится равной нулю, и, следовательно, устанавливается стационарное состояние. Напряженность этого поля связана с изменением потенциала вдоль проводника в виде:

, где

Это электрическое поле является полем сторонних сил. Циркуляция напряженности этого поля по участку цепи А от спая 2 до спая 1 даст термо-э.д.с., действующую на этом участке в направлении, указанном стрелкой на рис. 2:

(2)

Аналогично термо-э.д.с., действующая на участке B от спая 1 до спая 2, равна:

(3)

Термоэлектродвижущая сила слагается из э.д.с., возникающих в контактах, и э.д.с., действующих на участках А и B:

Подставив выражения (1), (2), (3) и произведя несложные преобразования, получим:

Величина называется коэффициентом термоэлектродвижущей силы. Тогда термо-э.д.с. может быть представлена в виде:

, где .

Величину называют дифференциальной или удельной термоэлектродвижущей силой данной пары металлов или полупроводников. Для большинства пар металлов имеет порядок , для полупроводников - .

В отдельных случаях удельная термо-э.д.с. слабо зависит от температуры. Тогда термо-э.д.с. можно представить в виде:

.

С помощью термопар можно измерять с точностью порядка сотых долей градуса как низкие, так и высокие температуры.

Явление Пельтье заключается в том, что при протекании тока через цепь, составленную из разнородных металлов или полупроводников, в одних спаях происходит выделение, а в других – поглощение тепла. Экспериментально установлено, что количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла пропорционально заряду q, прошедшему через спай:

, где П_AB – коэффициент Пельтье.

Явление Томсона заключается в том, что при прохождении электрического тока I по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры , выделяется (или поглощается) тепло, аналогичное теплу Пельтье.

Количество тепла, выделяющееся в элементе проводника за время , равно:

, где - коэффициент Томсона.

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

к лабораторной работе № 21

«Изучение термоэлектронной эмиссии и определение работы выхода. Выпрямляющее действие вакуумного диода»

Цель работы: Изучение термоэлектронной эмиссии и определение работы выхода электрона из вольфрама по экспериментальным вольт - амперным характеристикам диода с вольфрамовым катодом; изучение выпрямляющего действия вакуумного диода.

Литература (основная)

1. Сивухин Д. В. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т. З.- § 101, 102.

2. Савельев И. В. Курс общей физики.- М.: Наука, 1979.- Т. З.- § 51-54, 60, 61.

3. Лабораторный практикум «Электрические и магнитные свойства вещества и движение частиц и электромагнитном поле».- Учебное пособие.- Под ред. Л. П. Горбачева.- М.: МИФИ, 1987.- 60 с.

Подготовка к работе

1. При подготовке к выполнению лабораторной работы и к её защите необходимо изучить указанный материал по основной литературе и настоящее описание лабораторной работы.

2. Изучение рационально строить в соответствии с приведенными ниже контрольными вопросами.

3. Подготовить бланк отчета по лабораторной работе, где необходимо указать:

1. цель работы,

2. электрические схемы,

3. основные расчетные соотношения с пояснениями,

4. таблицы для результатов измерений.