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

49 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

23740. Степень числа 42 KB
  Сначала определяем значение степени а затем проходим произведение. – Найдите значение выражения: 5 23 – 362 81 : 32 . 3 1 2 4 9 7 5 6 8 12 11 10 5 23 – 362 81 : 32 = 5  2  2  2 – 36  5  2  2  2 – 36 81 : 3  3 – Проанализируйте каков порядок действий в нашем выражении Сначала находим значение степени в скобке затем значение произведения значение разности значение степени результата получившегося в скобках значение степени числа 3 значение...
23741. Степень числа 44 KB
  – При выполнении каких заданий мы можем получить произведение одинаковых множителей При разложении чисел на простые множители. – Что интересного вы можете сказать о полученном ряде чисел Все числа кратны 10. – Найдите НОК и НОД чисел а и b если: а = 23 3 52 b = 22 32 7. – Что необходимо сделать что бы выполнить задание Надо расписать степени чисел и применить известные алгоритмы – А можно ли выполнить задание не расписывая степени Этот вопрос может вызвать затруднение.
23742. Высказывания 228 KB
  – Назовите число из полученного ряда сумма цифр в котором равна 6. – Какое число данного ряда может быть лишним Например число 50 – двузначное а остальные – трехзначные. На сколько 150 больше 50 во сколько раз 150 больше 50 на сколько 50 меньше 150 – Придумайте числовые выражения частное в которых равно 3. – Найдите число которого равны 21.
23743. Взаимно простые числа 72.5 KB
  2 Тренировать способности к использованию: а понятий простого и составного числа; б признаков делимости на 2 5 10 3 9; в различных способов нахождения НОД; г алгоритмов объединения и пересечения множеств. На доске остаются числа: 375 164 2310 171. – Разложите получившиеся числа на простые множители.
23744. Делимость произведения 48.5 KB
  Делится ли на 37 число 555 555 555 555 − Сформулируйте в общем виде свойство делимости которое вы наблюдаете. Если первое число делится на второе число второе число делится на третье число то первое число делится на третье число. Докажите используя введение обозначений что если первое число делится на второе а второе делится на третье то и первое число делится на третье. Первое число a второе число b третье число c.
23745. Делимость произведения 48.5 KB
  – Что означает что число а делится на число b – Это означает что существует такое число с которое при умножении на b дает а. – И что – Можно заменить число 16 произведением 4 и 4 и получится произведение 4 4 а. Если ктолибо из учащихся по аналогии с предыдущим заданием верно найдет ответ последнего примера – число 555 то учитель просит его обосновать как выполнены действия. – А как можно разделить произведение на число – Разделить один множитель а потом полученный результат умножить на второй множитель.
23746. Делимость произведения 85.5 KB
  Делится ли: на 13 на 5 на 2 на10 – На 13 делится так как 39 делится на 13; на 5 не делится так как ни один из множителей не делится на 5; на 2 делится так как 356 кратно 2; на 10 не делится так как ни один из множителей не делится на 10.– Делится ли 225 на 3 если известно что 225 делится на 15 – Да делится т. 15 делится на3. Известно что: а 686 делится на 49.
23747. Делимость суммы и разности 45.5 KB
  Преобразуйте второе выражение используя распределительное свойство умножения. Для ответа на этот вопрос и для обоснования этого ответа учащиеся могут либо вычислить значения данных выражений либо воспользоваться распределительным свойством умножения. Всегда ли сумма и разность чисел кратных двум будут кратны двум А сумма и разность чисел кратных трем четырем пяти будут соответственно кратны трем четырем пяти Затем учитель предлагает учащимся обобщить наблюдаемое свойство: Сформулируйте гипотезу. Скажите с помощью...
23748. Делимость суммы и разности 33.5 KB
  Сумма 50 и 11 не будет кратна 5 так как значением данной суммы является число 61 а оно не кратно 5 Что можно сказать о слагаемых 50 и 11 Слагаемое 50 делится на 5 а слагаемое 11 – не делится. Если одно из двух чисел делится на некоторое число а другое не делится на это число то их сумма и разность не делятся на это число. Данные числа обозначим буквами a и b третье число буквой c Что нам известно Что одно из двух чисел делится на третье число а другое не делится Пусть например что a делится на c...