Вивчення ефекту Зеебека (Лабораторна робота № 8)

Лабораторна робота

№8

“ВИВЧЕННЯ ЕФЕКТУ ЗЕЕБЕКА”

ВИВЧЕННЯ ЕФЕКТУ ЗЕЕБЕКА

Мета роботи.

1.  Отримати термоелектрорушійну силу ( т.е.р.с.) в електричному колі, яке складається з різних металів, підтримуючи місця їх контактів при різних температурах (ефект Зеебека).

2.  Визначити залежність т.е.р.с. від різниці температур контактів.

3.  Визначити величину питомої т.е.р.с.

Вступ.

Розглянемо електричне коло, що складається з двох провідників 1 та 2 з різною концентрацією електронів (припустимо, що ) ( мал. 1).

                   A                      B                      C                     D

                                            T_B                     T_C

Мал.1

Нехай температури провідників та контактів рівні (). Дифузія електронів приводить до вирівнювання концентрації електронів . При цьому деяка кількість електронів переходить з другого провідника в провідники 1. Провідник 2 заряджається додатньо, а провідники 1 - від’ємно. Оскільки наше коло розімкнуте, то густина струму  дорівнює нулю, а по закону Ома напруженість електричного поля  в кожній точці провідника теж дорівнює нулю, тобто потенціал всередині провідника постійний. Звідси виходить, що електричне поле всередині провідників може бути тільки в приграничних шарах В та С (та на межі провідника 1 - вакуум). Потенціал  в областях контактів В та С повинен різко змінюватися (мал. 2а).

Стрибки потенціалу  в контактах В та С рівні по величині та протилежні по знаку, і тому вольтметр, приєднаний до кінців кола А і D, не покаже напруги.

Тепер припустимо, що температура  контакту В більша від температури  контакту С. Для простоти будемо вважати, що температура розімкнених контактів А і В однакова і дорівнює . Оскільки теплові швидкості електронів поблизу контакту В більші, ніж поблизу контакту С, то в провіднику 2 виникає дифузійний потік електронів, направлений від В до С. У випадку напівпровідників, у яких концентрація електронів збільшується при підвищенні температури, з’явиться доповнюючи потік електронів того ж напрямку, викликаний різницею концентрацій електронів в гарячому і холодному кінцях провідника. Тому на кінцях провідника 2 встановлюється електричне поле, яке перешкоджає дифузії електронів. В рівноважному стані під дією цього поля струм дифузії зникає і на кінцях провідника 2 виникає різниця потенціалів. Сказане цілком відноситься і до провідників 1. Внаслідок дифузії та контактних стрибків потенціалів  і  на кінцях кола А і В виникає напруга , яка називається т.е.р.с. . Вона складається з падіння напруги в об’ємі провідника та стрибків потенціалу в контактах. Розподіл потенціалу в колі показаний на мал.2б.

Т.е.р.с., пропорційна різниці температур контактів, якщо ця різниця не велика:

,                                                           (1)

де  - питома (або диференціальна ) т.е.р.с., яка виникає при різниці температур контактів в 1°К. Диференціальна т.е.р.с. визначається таким чином:

.                                                                      (2)

Вона залежить не тільки від даної пари провідників, але й від їх температури. В таблиці 1 приведені значення  для кількох металів та сплавів по відношенню до свинцю в інтервалі температур 0°С - 100° С. Додатній знак  відповідає тим металам, до яких тече стум через нагрітий спай. Користуючись цією таблицею, можливо знайти т.е.р.с. не тільки відносно свинця, а й для любої другої комбінації металів. Так, наприклад, питома т.е.р.с., що використовується в даній роботі, дорівнює: хромель-копель = (хромель-свинець) - (копель - свинець ) = 24 - (-38) = 62 мкВ/град

Таблиця 1.

З наведеної таблиці видно, що т.е.р.с. у термопар, які складаються з металів, мала. У напівпровідникових термопарах т.е.р.с. більше в десятки та сотні разів.

Опис експериментальної установки.

Принципова електрична схема установки показана на мал. 3.

Термопара складається з сплавів хромель 1 і копель 2. Місця спаїв В та С занурені в термостати 3 та 4, які наповнені стеорином. Сюди ж занурені термометри 5 та 6. В термостаті 4 є нагрівач EK, який підключається через перемикач SA до постійної напруги 15 B. Клеми 7,8 (X1, X2) використовуються для підключення цифрового вольтметра.

Виконання роботи.

1.  Підключити цифровий вольтметр до клем 7,8. Записати температуру холодного спаю.

2.  Перемикачем SA замкнути коло живлення нагрівача та нагріти термостат 4 на 4°С - 5°С , після чого виключити нагрівач EK. Через теплову інерцію системи температура ще буде підніматися деякий час. Коли температура встановиться, визначити по шкалі вольтметра т.е.р.с. . Температуру гарячого спаю  та відповідну їй т.е.р.с.  записати в таблицю вимірів.

3.  Керуючись пунктом 2, продовжити нагрівання до 70°С , проводячи виміри через кожні (5 - 6)°С. Періодично контролювати температуру  холодного спаю.

4.  Відключити нагрівач та виміряти т.е.р.с. e при охолодженні спаю С до температур, що вимірювались при нагріванні. Дані занести в таблицю. Знайти середнє значення т.е.р.с. , отримане при нагріванні спаю С та при його охолодженні.

5.  Побудувати графік залежності .

6.  По цьому графіку визначити питому т.е.р.с. та порівняти її величину зі значенням, знайденим по таблиці 1 для термопари хромель-копель.

7.  Визначити похибку методу вимірювання питомої т.е.р.с. .

Контрольні запитання.

1.  Якими процесами обумовлене виникнення контактної різниці потенціалів ?

2.  Чому дорівнює сума контактної різниці потенціалів кола, що складається з різних металів, при однаковій та різній температурі контактів ?

3.  Як визначається та від чого залежить питома т.е.р.с. термопари ?

4.  Як визначити т.е.р.с. по відомому  та температурах кінців термопари ?

5.  Як визначити т.е.р.с. для будь-якої з пар металів, використовуючи дані таблиці 1 ?

6.  Чому т.е.р.с. в напівпровідниках більша, ніж у металів ?