39224

Изучение явления термоэдс

Контрольная

Физика

Зеебек обнаружил что замкнутой цепи состоящей из двух разнородных проводников возникает электродвижущая сила термоэдс если контакты находятся при различных температурах рис. Явление возникновения термоэдс наблюдается и в одном проводнике если его концы находятся при разных температурах рис. Величина термоэдс прямо пропорциональна разности температур.

Русский

2013-10-01

163 KB

53 чел.

Работа 5

Изучение явления термоэдс.

Теоретическое введение

§1. Эффект Зеебека

  1.  

В 1823г. Т. Зеебек обнаружил, что замкнутой цепи состоящей из двух разнородных проводников возникает электродвижущая сила (термоэдс), если контакты находятся при различных температурах (рис. 1.1а). Явление возникновения термоэдс наблюдается и в одном проводнике, если его концы находятся при разных температурах (рис. 1.1б). Величина термоэдс прямо пропорциональна разности температур. Величина  (1.1) называется коэффициентом дифференциальной термоэдс. При наличии градиента температур  в замкнутой цепи из двух проводников возникает относительная термоэдс  (1.2). Коэффициент  называется относительной термоэдс или коэффициент удельной термоэдс данной пары проводников.

  1.  Существуют три причины возникновения термоэдс: образование направленного потока носителей в проводнике при наличии градиента температур (объемная составляющая ), изменение положения уровня Ферми с температурой (контактная составляющая ) и увлечение электронов квантами тепловых колебаний кристаллической решетки – увлечение фононами.

§2. Механизмы возникновения термоэдс

  1.  

Объемная (диффузионная) составляющая термоэдс возникает вследствие того, что концентрация электронов с более высокой энергией ( > Ф) у нагретого конца будет больше, чем у холодного, а концентрация электронов с более низкой энергией ( < Ф) будет, наоборот, у нагретого конца меньше. Вследствие этого возникнет диффузионный поток электронов от горячего концу к холодному. Холодный конец получит избыточный отрицательный заряд по отношению к горячему и поэтому возникнет внутри проводника  электрическое поле, направленное навстречу градиенту (рис. 1.2).

Приблизительную оценку объемной составляющей термоЭДС можно произвести следующим образом. Электронный газ создает в проводнике давление  (1.3), где  - средняя энергия электронов полупроводнике, а n – концентрация. Наличие градиента температур вызывает перепад давления. Возникающее электрическое поле уравновешивает перепад давления. Действительно, рассмотрев равновесие элементов объема  (рис. 1.3) газа носителей тока, получаем: ; ;   (1.4)

Учитывая, что перепад давления вызван градиентом температуры, преобразуем (1.4) к виду:

;

Отсюда для термоэдс получаем: . Соответственно для коэффициента термоэдс ОБ получаем:   (1.6)

Учитывая (1.3), можно уточнить выражение (1.6):

 (1.7)

Анализ выражения (1.7) показывает, что причиной возникновения объемной части термоэдс является во-первых, изменение средней энергии носителей тока () и во-вторых, изменение концентрации носителей тока ().

Особенности возникновения объемной термоэдс в металлах и полупроводниках n и p типа представлены в таблице.

Металл

Полупроводник

n-типа

Полупроводник

p-типа

Из анализа таблицы можем сделать следующие выводы:

  •  Знак термоэдс зависит от знака носителей тока;
  •  Учитывая сильную зависимость концентрации носителей тока в полупроводниках n и p типа, коэффициент термоэдс в полупроводниках значительно выше, чем в металлах.

2.Контактная составляющая термоэдс обусловлена возникновением внутренней контактной разности между холодным и нагретым концами проводника вследствие температурной зависимости положения уровня Ферми.

Внутренняя контактная разность потенциалов, возникающая в проводнике

(1.8)

Коэффициент дифференциальной термоэдс К тогда будет иметь вид: (1.9)

Изменение уровня Ферми с увеличением температуры иллюстрирует таблица.

Металл

Полупроводник

n-типа

Полупроводник

p-типа

при Т=0К

Снижение уровня Ферми на нагретом конце компенсируется переходом носителей к нагретому концу при этом уровень электрохимического потенциала остается неизменным. Возникающая при этом термоэдс имеет другой знак по сравнению с .

  1.  Эффект увлечения носителей тока фононами (квантами тепловых колебаний) вызывает дополнительный дрейф носителей тока от нагретого конца к холодному. Накопление носителей тока на холодном конце и обеднение на нагретом конце вызывает появление термоэдс . Этот эффект играет существенную роль при низких температурах.

Результирующий коэффициент дифференциальной термоэдс

(1.10)

При нормальных и высоких температурах:

Более детальный расчет дает такие результаты:

У металлов:

У полупроводников n-типа:

У полупроводников p-типа: ,

Где p в зависимости от характера взаимодействия носителей с кристаллической решеткой принимает значения от 0 до 2.

Число . Для металлов , поэтому составляет несколько единиц . Для полупроводников  и поэтому составляет сотни, а иногда и тысячи .

Практическая часть

Упражнение 1. Определение коэффициента термоэдс

Схема установки представлена на рис. 1

Градиент на образце создается с помощью нагревателя (НЭ). Измерение градиента температур происходит на основе:,  ()

с использованием медь-константовых термопар. Ключом К1 осуществляется поочередное подключение термопар к милливольтметру, измеряющему термоэдс. Ключ К2 переключает измерительный прибор либо для измерения Т, либо для измерения возникающей термоэдс.

Измеряемая термоэдс снимается с использованием электродов, присоединенных в точках а и б. Непосредственное подключение электронного вольтметра к точкам а и б возможно если сопротивление образца R12 много меньше входного сопротивления милливольтметра (R12 << Rвх).

При исследованиях полупроводников это условие может не выполняться. В этом случае необходимо использовать метод компенсации (рис. 2).

Целью исследования является изучение зависимости термоэдс от градиента температур на образце и определение .

Выполнение работы

  1.  Собрать схему с учетом указания преподавателя в низкоомности или высокоомности образца.
  2.  Измерения проводятся при различных токах в цепи нагревательного элемента до 0,325 А. Устанавливая значения тока в интервале 0–Jmax добиваются различных значений градиента и соответствующих значений термоэдс. При измерениях следует дожидаться установления градиента, о чем, в частности, будет свидетельствовать неизменность с течением времени . Результаты измерений заносятся в таблицу.

J

T1-T2

cp

i

cp

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51114. Изучение переходных частотных типовых динамических звеньев 63.73 KB
  Сравнить полученные графики с табличными и сделать выводы. Теоретические сведения Частотными характеристиками называются формулы и графики характеризующие реакции звена или системы на синусоидальное входное воздействие в установившемся режиме вынужденные синусоидальные колебания звена. В данном случае имеет место опережение по фазе так как график лежит в первой четверти. Форсирующее звено 2го порядка 1 3000 V К=15 Т1=7 Т2=5 150000 V
51116. Метрологическая надежность средств измерений 427.81 KB
  Метрологической надежностью называют способность СИ сохранять установленное значение метрологических характеристик в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации.
51117. Исследование частотных характеристик типовых динамических звеньев 24.84 KB
  Цель работы: исследование амплитудных и фазовых частотных характеристик типовых динамических звеньев. Задачи: Ознакомиться с программой для исследования амплитудной частотной АЧХ и фазовой частотной ФЧХ характеристик типовых динамических звеньев. Произвести снятие частотных характеристик для различных значений параметров.
51119. Реєстрація сигналів в MatLAB 613.88 KB
  Прочитати за допомогою функції load в робочу область сигнал ЕКГ, отриманий з допомогою комп’ютерного електрокардіографа та збережений у mat-файлі. Вивести графік, позначити вісі. (файл архіву ECG_rec.rar на сайті, обрати сигнал згідно номеру за списком; ЕКГ дискретизована з частотою 400 Гц, значення напруги в мілівольтах отримується діленням величин відліків на 500). Визначити (програмно) тривалість записаного сигналу.
51120. Исследование устойчивости системы автоматического регулирования с использованием критериев Гурвица и Михайлова 73.21 KB
  По критерию Михайлова система 1 устойчива график начинается на положительной вещественной полуоси проходит против часовой стрелки 3 квадранта система 2 неустойчива график проходит через 3 квадранта но не против часовой стрелки система 3 устойчива график проходит через точку 00. для системы третьего порядка критерий Гурвица сводится к положительности всех...
51121. Моделювання лінійних систем в часовій та частотній області 500.67 KB
  Сформувати два синусоїдальних сигнали частоти 3 та 20 Гц тривалістю1 с. Проілюструвати властивість адитивності системи, визначивши реакціюсистеми спочатку на кожний з сигналів окремо, а потім на суму цих сигналів.Проілюструвати властивість однорідності системи.
51122. Разработка программы с использованием элементов Radiobutton, Button, Listbox 77.03 KB
  Задание на работу: Разработать программу с использованием элементов Rdiobutton Button Listbox. Предметная область фотопрокат. Код программы (файл Form1.cs)...