Изучение эффекта Зеебека. Исследование термоэлектродвижущей силы возникающую в электрической цепи (Методическое пособие по выполнению лабораторной работы)

Лабораторная работа

№8

“ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ЗЕЕБЕКА”

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ЗЕЕБЕКА

Цель работы

1.  Исследовать термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) возникающую в электрической цепи, состоящей из различных металлов, места контактов которых поддерживаются при различных температурах.

2.  Определить зависимость ТЭДС от разности температур контактов.

3.  Определить величину удельной ТЭДС.

Вступление

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из двух проводников 1 и 2 с различной концентрацией электронов  и  (для определенности предположим, что ) (рис. 1).

A               B                                     C               D

Рис.1

Пусть температуры проводников и контактов равны (). Различие в значении концентрации электронов приводит к процессу диффузии. При этом некоторое количество электронов переходит из второго проводника в проводники 1. Проводник 2 заряжается положительно, а проводники 1 заряжаются отрицательно. Поскольку цепь разомкнута, то плотность тока  равна нулю. По закону Ома напряженность электрического поля  в каждой точке проводника тоже равна нулю. Это значит, что потенциал внутри проводника постоянный. Следовательно, электрическое поле внутри проводников может быть только в приграничных областях В и С (и на границе проводника 1 с вакуумом). При этом потенциал  в областях контактов В и С должен резко изменяться (рис. 2а).

Скачки потенциала  в контактах В и С равны по величине и противоположны по знаку, и потому вольтметр, присоединенный к концам цепи А и D, не покажет падения напряжения. Это значит, что суммарная работа сил электрического поля и сторонних сил на этом участке равна нулю.

Предположим, что температура контакта В  больше температуры контакта С . Для простоты будем считать, что температура разомкнутых контактов А та В одинакова и равна . Поскольку тепловые скорости электронов вблизи контакта В большие, чем вблизи контакта С, то в проводнике 2 возникает диффузионный поток электронов, направленный от В к С. Для случая полупроводников концентрация электронов увеличивается при повышении температуры, появится дополнительный поток электронов в том же самом направлении, вызванный разностью концентраций электронов на горячем и холодном концах проводника. Поэтому на концах проводника 2 устанавливается электрическое поле, которое препятствует диффузии электронов. В равновесном состоянии под действием этого поля диффузионный ток исчезает и на концах проводника 2 возникает разность потенциалов. Сказанное целиком относится и к проводникам 1. Вследствие диффузии и контактных скачков потенциалов  и  на концах цепи А и В возникает напряжение , которое называется ТЭДС . Она состоит из падения напряжения в объеме проводника и скачков потенциала на контактах. Распределение потенциала в цепи, показано на рис.2б.

ТЭДС пропорциональна разности температур контактов, если эта разность не очень большая:

,                                             (1)

где  - удельная ТЭДС (или дифференциальная ТЭДС), которая возникает при разности температур контактов в 1°К. Дифференциальная ТЭДС определяется следующим образом:

.                                                       (2)

Она зависит не только от данной пары проводников, но и от их температуры. В таблице 1 приведены значения  для нескольких металлов и сплавов по отношению к свинцу в интервале температур 0°С - 100° С. Положительный знак  отвечает тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай. Пользуясь этой таблицей, можно вычислить ТЭДС не только относительно свинца, а и для любой другой пары металлов. Так, например, удельная ТЭДС, которая исследуется в данной работе, равна: хромель-копель = (хромель-свинец) - (копель - свинец) = 24 - (-38) = 62 мкВ/град.

Таблица 1.

Из приведенной таблицы видно, что ТЭДС у термопар, которые состоят из металлов мала. В полупроводниковых термопарах ТЭДС больше в десятки и сотни раз.

Описание экспериментальной установки.

Принципиальная электрическая схема установки, показана на рис. 3.

Термопара состоит из сплавов хромель 1 и копель 2. Места спаев В и С погружены в термостаты 3 и 4, которые наполнены стеарином. Сюда ж погружены и термометры 5 и 6. В термостате 4 есть нагреватель , который подключается через переключатель SA к источнику постоянного напряжения 15 B. Клеммы 7,8 (X1, X2) используются для подключения цифрового вольтметра.

Выполнение работы.

1.  Подключить цифровой вольтметр к клеммам 7,8. Записать температуру холодного спая.

2.  Переключателем SA замкнуть цепь питания нагревателя и нагреть термостат 4 на 4°С - 5°С, после чего выключить нагреватель EK. Ввиду тепловой инерции системы температура еще будет некоторое время подниматься. Когда температура установится, определить по шкале вольтметра ТЭДС . Температуру горячего спая  и соответствующую ей ТЭДС  записать в таблицу измерений.

3.  Руководствуясь пунктом 2, продолжить нагревания до 70°С, проводя измерения через каждые (5-6)°С. Периодически контролировать температуру  холодного спая.

4.  Отключить нагреватель и измерить ТЭДС  при охлаждении спая С до температур, которые измерялись при нагревании. Данные занести в таблицу. Определить среднее значение ТЭДС , полученное как при нагревании спая С, так и при его охлаждении.

5.  Построить график зависимости .

6.  По этому графику определить удельную ТЭДС и сравнить ее величину со значением, найденным согласно данным таблицы 1 для термопары хромель - копель.

7.  Определить погрешность измерения удельной ТЭДС .

Контрольные вопросы.

1.  Какими процессами обусловлено возникновение контактной разности потенциалов?

2.  Чему равно сумма контактной разности потенциалов цепи, которая состоит из различных металлов, при одинаковой и различной температуре контактов?

3.  Как определяется и от чего зависит удельная ТЭДС термопары?

4.  Как определить ТЭДС по известному значению  и температурам концов термопары?

5.  Как определить ТЭДС для любой из пар металлов, используя данные таблицы 1?

6.  Почему удельная ТЭДС в таблице 1 дана относительно свинца?

7.  Почему удельная ТЭДС в полупроводниках больше, чем в металлах?