Лабораторная работа № 7 градуирование термопары
Цель работы — исследование зависимости термо-э.д.с. термопары от разности температур спаев и построение градуировочного графика.
Приборы и принадлежности: термопара, нагреватель, сосуды с водой, термометры, установка для измерения термо-э.д.с.
Краткие сведения из теории
Явление Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, возникает электродвижущая сила (термо-э.д.с.), если контакты между проводниками поддерживаются при различных температурах. Электрическая цепь, состоящая из двух различных проводников, называется термопарой или термоэлементом. Как показывает опыт, в относительно узком интервале температур, различном для разных термопар, термо-э.д.с. ЭТ пропорциональна разности температур горячего Т1 и холодного Т2 спаев:
ЭТ = α12(Т1 – Т2),
где α12 — коэффициент термо-э.д.с., или удельная термо-э.д.с. данной пары проводников, т.е. термо-э.д.с., возникающая в цепи при разности температур контактов в один градус. Удельная термо-э.д.с. зависит от природы проводников и интервала температур. Она чувствительна к небольшим количествам примесей. Для большинства пар металлов α12 составляет 10-5 — 10-4 В/К.
Явление возникновения термо-э.д.с. можно наблюдать и при контакте полупроводников. Удельная термо-э.д.с. у полупроводниковых пар больше, чем у металлических (до 10-3 В/К).
Явление Зеебека используется в измерительных целях, частности для измерения температур. Если один спай термопары поддерживать при постоянной температуре, а другой поместить в исследуемую среду, то по возникающей термо-э.д.с. можно определить температуру среды. Это явление используется также для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Устройства такого рода называются термоэлектрогенераторами. Термоэлектрогенераторы из полупроводниковых материалов обладают гораздо большим к.п.д., чем из металлов.
Возникновение термо-э.д.с. обусловлено рядом причин.
2. Вторая составляющая термо-э.д.с. (контактная) связана с температурной зависимостью внутренней контактной разности потенциалов (к.р.п.). В замкнутой цепи, образованной из различных проводников, все спаи которой находятся при одинаковой температуре, алгебраическая сумма всех внутренних контактных разностей потенциалов равна нулю. С изменением температуры спая изменяется скачок потенциала (внутренняя к.р.п.) при переходе от одного проводника к другому. При различной температуре спаев алгебраическая сумма скачков потенциалов в замкнутой цепи отлична от нуля. Это и есть контактная составляющая термо-э.д.с.
3. Третья причина возникновения термо-э.д.с. заключается в увлечении электронов фононами — квантами энергии теплового колебания кристаллической решетки. Многие процессы в кристалле (например, рассеяние частиц) протекают так, как если бы фонон кроме энергии обладал квазиимпульсом. Поэтому колебания кристаллической решетки можно представить как фононный газ, заключенный в пределах кристалла. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов от горячего конца к холодному. Существование такого дрейфа приводит к тому, что электроны, рассеиваемые на фононах, приобретают направленное движение. В результате происходит накопление электронов на холодном конце и обеднение электронами горячего конца, как и в случае диффузии электронов. В дырочных проводниках увлечение дырок фононами (как и диффузия дырок) приводит к тому, что потенциал холодного конца выше, чем горячего. Алгебраическая сумма изменений потенциалов в цепи, вызванная процессом увлечения электронов фононами, называется фононной составляющей термо-э.д.с. При низких температурах эта составляющая может в десятки и сотни раз превышать первые две.
Термо-э.д.с. равна алгебраической сумме всех трех ее составляющих.