Дія напівпровідникового термоелемента

Обладнанння: 1) термоелемент напівпровідниковий на підставці, 2) гальванометр демонстраційний від вольтметра, 3) нагрівач — електричний паяльник або спиртівка. 4) дроти сполучні.

На початку досліду учнів коротко знайомлять з пристроєм напівпровідникового термоелемента. Показують термоелемент в натурі, а потім його зображення на стінній таблиці. Відмічають основні частини: два напівпровідникові бруски 1 і 3, що розрізняються видом провідності, мідну пластинку 2, що замикає верхні кінці брусків, і П-подібні мідні пластини-радіатори 4, призначені для відведення тепла і підтримки необхідної різниці температур при роботі термоелемента.

Дослід демонструють в три прийоми. Спочатку показують утворення термоелектрорушійної сили в парі провідник-напівпровідник з електронною провідністю. Потім утворення термоелектрорушійної сили в парі провідник- напівпровідник, що має діркову провідність. І нарешті, роботу термоелемента, обидві гілки якого є напівпровідниками з різною провідністю.

У першому випадку пару складають напівпровідник термоелемента і мідна пластинка, що з’єднує верхні кінці напівпровідників разом з мідним дротом, що йде до середньої клеми. При нагріванні верхнього спаю термоелемента демонстраційний гальванометр виявляє термострум. Величина його пропорційна різниці температур спаїв термоелемента.

Звертають увагу на те, що у електронного напівпровідника і у мідної пластинки гарячі кінці заряджаються позитивно, а холодні негативно, оскільки в обох гілках термоелемента основними носіями заряду є вільні електрони. Але струм в зовнішньому ланцюзі, як показує гальванометр, йде від мідної пластинки до напівпровідника.

Отже, холодний кінець напівпровідника має нижчий потенціал, ніж холодний кінець мідної пластинки. Іншими словами, різниця потенціалів між гарячим і холодним кінцями напівпровідника більше різниці потенціалів на кінцях мідної пластинки. Результуюча напруга на клемах термоелемента дорівнює різниці цієї напруги, оскільки вони діють один назустріч одному.

Рис.15 Конструкція напівпровідникового термоелемента

Рис.12 Схема дії термоелемента :

а — з міді і n - напівпровідника; б — з міді і р-напівпровідника

В іншому випадку пару складають верхня мідна пластинка і дірковий напівпровідник термоелемента. Для виявлення виникаючої напруги до клем термоелемента підключають демонстраційний гальванометр так, щоб напівпровідникова гілка термоелемента була з’єднана з правою клемою гальванометра, а мідна — з лівою. При нагріванні верхнього спаю термоелемента стрілка гальванометра відхиляється вправо, що вказує на зворотний напрям струму в ланцюзі.

Холодний кінець діркового напівпровідника придбав позитивний потенціал, а холодний кінець міді, як і раніше, зарядився негативно. Результуюча напруга на клемах термоелемента дорівнює сумі напруг в окремих гілках.

І нарешті, в третьому випадку напругу на клемах термоелемента вимірюють гальванометром з шкалою «0-15», стрілку якого перед виміром переключають на нуль нової шкали.

Дослід показує, що результуюча напруга на клемах напівпровідникового термоелемента представляє суму напруги на окремих гілках, тобто вона приблизно в два рази більше, ніж напруга у термоелемента, що складається з міді і напівпровідника при тій же температурі гарячого спаю. Мідна пластинка, що замикає гарячі кінці напівпровідників, не чинить впливу на величину результуючої термоелектрорушійної сили, оскільки обидва кінці її знаходяться при одній і тій же температурі.

Термоелектричні явища в напівпровідниковому термоелементі пояснюються термодифузією основних носіїв заряду. Для наочності пояснення можна скористатися таблицею №4 (рис.17), де представлена схема дії напівпровідникового термоелемента. Кружечки зі знаком плюс означають дірки, а кружечки зі знаком мінус — вільні електрони.

При нагріванні верхнього спаю термоелемента носії заряду в обох напівпровідниках (електрони і дірки) починають дифундувати від гарячого спаю до холодного.

Рис.16 Демонстрація дії напівпровідникового термоелемента

Рис.17 Схема дії напівпровідникового термоелемента

Направлення термодифузії основних носів заряду показано на схемі стрілками, розташованими біля кружечків. Це переміщення зарядів приводить до скупчення зарядів на кінцях напівпровідників: гарячий кінець діркового напівпровідника заряджається негативно, а холодний — позитивно. У електронному напівпровіднику картина інша: гарячий кінець заряджається позитивно, а холодний — негативно. Такий розподіл зарядів спричиняє за собою утворення внутрішнього електричного поля. По мірі зростання цього поля дифузія зарядів від гарячого кінця до холодному сповільнюється, що врешті-решт призводить до встановлення динамічної рівноваги: потоки зарядів від гарячих кінців напівпровідників до холодних і назад вирівнюються. Різниця потенціалів, що виникла при цьому на клемах, є термоелектрорушійна сила термоелемента.

При поясненні принципу дії напівпровідникового термоелемента слід демонструвати п'ятий фрагмент учбового кінофільму «Напівпровідники і їх застосування в техніці».