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

59 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

41159. Логические функции и логические элементы 754.5 KB
  Физическими аналогами логических переменных 0 и 1 служат сигналы способные принимать два хорошо различимых состояния например потенциал низкого и высокого уровней разомкнутое и замкнутое состояние контакта реле и т. Триггеры Триггер это устройство имеющее два устойчивых состояния способное под воздействием управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое и хранить это состояние сколь угодно долго. Способность хранить состояние сколь угодно долго и определяет память триггера. состояние триггера не меняется.
41160. Морфологические и синтаксические нормы русского литературного языка 79 KB
  Морфологические ошибки связаны с нарушением грамматических форм слов незнанием склонений с неправильным употреблением окончаний с неправильным ударением если это влияет на форму слова. Морфологостилистические ошибки связаны с использованием сложных конструкций характерных для официально делового и научного стиля в разговорном стиле.Синтаксические ошибки синтаксическим ошибкам относятся следующие: Нарушения в управлении.
41161. Методы преобразования комплексного чертежа (эпюра Монжа) 286 KB
  Сущность этого метода заключается в следующем: положение точек линий плоских фигур поверхностей в пространстве не изменяется а система П1 П2 заменяется дополняется плоскостями образующими с П1 или П2 или между собой системы двух взаимно перпендикулярных плоскостей принимаемых за плоскости проекций. Если введение одной плоскости П4 или П5 не позволяет решить задачу то прибегают к последовательному дополнению основной системы плоскостей проекций новыми П6 П7 и т. показано преобразование проекций точки А из системы П2 П1 в систему П4...
41162. История лазерных принтеров 1.9 MB
  На поверхности фоторецептора создается электростатическое а затем видимое изображение копируемого оригинала с последующим переносом этого изображения на бумагу или специальный материал. Формирование изображения На этапе формирования изображения на поверхности фоторецептора создается оптическое изображение оригинала. Полученное оптическое изображение должно: а обладать требуемыми геометрическими параметрами б иметь распределение освещенностей соответствующее оптическим плотностям оригинала. Проявление На этапе проявления на участки...
41163. Метод узловых напряжений 192.5 KB
  Метод узловых напряжений. Метод узловых напряжений заключается в определении на основании первого закона Кирхгофа потенциалов в узлах электрической цепи относительного некоторого базисного узла. Положительное напряжение узловых напряжений указывается стрелкой от рассматриваемого узла к базисному. Иллюстрация к методу узловых напряжений.
41164. Власть, влияние, лидерство 198 KB
  Они делают это посредством допущения подчиненных к выработке управленческих решений развитию лидерства в рабочих командах инициативы обучения и т. Лидерство Вопросы лидерства вызывали интерес людей с древних времен. Природа лидерства может быть лучше понята если сравнить лидерство с управлением. Теория лидерских качеств Это один из наиболее ранних подходов к изучению и объяснению лидерства.
41165. Человек в организации. Функция мотивации 242.5 KB
  Системно поведение человека в организации может быть представлено с двух позиций: 1 с позиции взаимодействия человека с организационным окружением в этом случае человек находится в центре модели и 2 с позиции организации включающей в себя индивидов в этом случае организация как целое является исходной точкой рассмотрения. Второе что он сделал для организационного окружения для организации в ответ на стимулирующие воздействия которые организация применила по отношению к человеку. Нас будут интересовать ответы на вопросы: как...
41166. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В СИСТЕМЕ МАРКЕТИНГА 898 KB
  Основные журналы по изучению распределения и маркетинга: 1. Цели политики распределения. Особенности оптовой торговли как канала распределения. Проблема относительно времени и места продажи товара рассматривается в маркетинге как политика распределения.
41167. Теплообменные аппараты 688 KB
  По истечении определенного промежутка времени осуществляется переключение потоков теплоносителей. Регенераторы выполняются исключительно для газовых теплоносителей. В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей различают такие схемы движения теплоносителей: а прямоточная схема прямоток когда горячий и холодный теплоноситель движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении б противоточная схема противоток когда горячий и холодный теплоноситель движутся вдоль поверхности теплообмена в противоположных...