- •Изучение контактных методов измерения температуры
- •21 Февраля 2001 г., протокол № 6
- •Введение
- •Часть I. Изучение эффектов пельтье и зеебека
- •1. Измерение температуры
- •Распределение энергии поступательного движения между молекулами характеризуется соотношением:
- •2. Термоэлектрические явления
- •3. Измерение температуры термопарами.
- •4. Изучение эффекта пельтье
- •5. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Часть II. Изучение термометров сопротивления
- •Природа тока в металлах и полупроводниках
- •Некоторые технические характеристики и особенности применения металлических термометров сопротивления
- •Полупроводниковые термосопротивления (термисторы)
- •4. Описание экспериментальной установки.
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Содержание
- •Учебное издание
- •Карбалевич Нина Александровна
- •220050, Минск, пр. Ф. Скорины, 4.
- •220050, Минск, пр. Скорины, 4
Контрольные вопросы
Что называется температурой тела?
Для каких систем применимо понятие «температура тела»?
Какие температурные шкалы вам известны; как они были установлены?
Назовите известные вам методы измерения температуры.
В чем сущность явлений Зеебека, Пельтье и Томсона?
В чем заключается термоэлектрический метод измерения температуры?
Объясните сущность метода определения коэффициента Пельтье.
Литература
Бошняк Л.Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. -М.: Машиностроение, 1974, - 448 c..
Уайт Г.К. Экспериментальная техника в физике низких температур. -М.: Гос. издат, 1961, - 368 с.
Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. -Л.:Энергоатомиздат, 1990, - 256 с.
Часть II. Изучение термометров сопротивления
Целью работы является изучение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры; определение температурных коэффициентов различных типов термосопротивлений.
Термометр сопротивления - прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления металлов и полупроводников от температуры.
При измерении температуры исследуемой среды термометр сопротивления, включенный в электрическую цепь, находится в тепловом равновесии со средой.
В данной работе изучаются металлические и полупроводниковые термометры сопротивления. Последние обычно называются терморезисторами (термисторами). Характер зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры существенно различен.
Природа тока в металлах и полупроводниках
В металлах носителями тока являются свободные электроны. В одном кубическом сантиметре металла имеется примерно 1022 атомов. Если валентность металла Z , то концентрация свободных электронов n будет приблизительно равна Z1022 см-3. В создании тока действительно участвуют свободные электроны, но в большинстве металлов не вся их совокупность, а лишь некоторая часть. В одном металле эта часть больше, в другом - меньше, в третьем - все наличное количество свободных электронов. Поэтому часть свободных электронов, образующих ток, названа «электронами проводимости». Участвуя в образовании электрического тока, свободные электроны обеспечивают высокую электро- и теплопроводность металла.
Классическая электронная теория базируется на следующих основных предположениях:
движение электронов происходит в полном соответствии с законами классической механики;
взаимодействия электронов друг о другом не существует;
взаимодействие электронов с ионами кристаллической решетки сводится к обычным соударениям;
электронный газ подобен идеальному газу и подчиняется статистике Максвелла-Больцмана.
В силу хаотичности движения суммарный заряд, переносимый электронами через любое сечение металлического проводника в отсутствие внешнего электрического поля, равен нулю. В процессе беспорядочного движения электроны испытывают многочисленные столкновения с ионами решетки. При наложении внешнего поля электронный газ начинает перемещаться против поля - в проводнике возникает ток. Тяжелые, положительно заряженные ионы металла не участвуют в образовании электрического тока. Поэтому прохождение тока по металлическому проводу не сопровождается какими-либо химическими изменениями. Казалось бы, что под действием силы F=eE=ma, приложенной со стороны поля к электрону, последний должен двигаться равноускоренно. В действительности электроны при заданной разности потенциалов движутся с некоторой постоянной средней скоростью, величина которой изменяется только при изменении разности потенциалов. Это объясняется тем, что движение электронов не является свободным: на своем пути электроны испытывают многочисленные столкновения с ионами решетки. В момент столкновения энергия электрона частично передается иону, что вызывает уменьшение его скорости. Затем электрон снова начинает двигаться ускоренно, пока не столкнется со следующим ионом и т.д. Таким образом, движение свободных электронов, возникающее под действием приложенного электрического поля, происходят в условиях своеобразного трения, вызванного гигантским числом столкновений. Поэтому при заданном значении напряженности электрического поля скорость перемещения «электронного газа» приобретает некоторое постоянное и относительно небольшое значение (при Е=1 В/см, 10 см/с).
Металлы - хорошие проводники тепла. Исследуя взаимосвязь удельной электропроводности металла с его коэффициентом теплопроводности , Видеман и Франц чисто эмпирическим путем открыли закон, отражающий связь между этими величинами:
, (1)
где [Вт/мК] - коэффициент теплопроводности, - электропроводность металлов, R - постоянная Больцмана, е – модуль заряда электрона, Т - абсолютная температура, с=2,45108 ВтОм/К2.
Теоретически соотношение (1) было получено Лоренцем, который исходил из предположения, что в металлах перенос тепла осуществляется свободными электронами. Между теорией и экспериментом имеются расхождения. Особенно велики они при низких температурах. Имеются металлы, например, бериллий, которые совсем не подчиняются закону Видемана-Франца,
Механизм возникновения электропроводности в металлах (взаимодействие электронов проводимости с ионами кристаллической решетки) обуславливает температурную зависимость удельного сопротивления . Известно, что для металлов увеличивается с возрастанием температуры и уменьшается с ее понижением. Для большей части чистых металлов в небольшом температурном интервале эта зависимость линейна. Температурная зависимость вытекает из самой природы электропроводности металлов. С повышением температуры увеличивается интенсивность теплового движения ионов в кристаллической решетке; возрастает амплитуда их колебаний, увеличивается степень беспорядка. Все это приводит к тому, что число столкновений электронов проводимости с ионами решетки возрастает, что и является причиной увеличения активного сопротивления.
Носителями заряда в полупроводниках также являются электроны проводимости. Но в отличие от металлов, концентрация электронов проводимости в полупроводниках сильно зависит от температуры. Эта зависимость описывается уравнением:
, (2)
где А и В - коэффициенты, характерные для данного типа полупроводниковых материалов и определяемые конкретным полупроводником, Т - абсолютная температура; величина А~Т3/2.
Таким образом, с понижением температуры концентрация электронов уменьшается и, наоборот, с увеличением температуры увеличивается. Для полупроводников, так же как и для металлов, справедливо соотношение для удельной электропроводности
= en,
где - подвижность носителей заряда.
С другой стороны
. (3)
Поскольку концентрация электронов сильно зависит от температуры, механизм возникновения электрической проводимости в полупроводниках отличен от механизма возникновения электропроводности в металлах. Как при абсолютном нуле температуры, так и при температуре плавления, концентрация электронов проводимости металлов неизменна, т.е. тепловое движение на их образование не оказывает никакого влияния. В полупроводниках тепловое движение - главный фактор образования электронов проводимости. Электроны проводимости возникают при ионизации атомов вследствие их теплового движения. Для разных полупроводников энергия ионизации валентных электронов лежит в пределах от 0,1 до 1,5 эВ. С повышением температуры возрастает число частиц с энергиями, превышающими энергию ионизации, что приводит к увеличению концентрации электронов проводимости, а следовательно, к уменьшению сопротивления полупроводника.