44022

Контактная разность потенциалов

Дипломная

Физика

Наиболее важно понятие контактной разности потенциалов для твёрдых проводников металлов и полупроводников. В конечном счёте достигается равновесие при котором потоки электронов в обоих направлениях становятся одинаковыми и между проводниками устанавливается контактная разность потенциалов Значение контактной разности потенциалов равно разности работ выхода отнесённой к заряду электрона. Если составить электрическую цепь из нескольких проводников то контактная разность потенциалов между крайними проводниками определяется только их...

Русский

2013-11-09

99 KB

35 чел.

Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов, разность электрических потенциалов, возникающая между контактирующими телами в условиях термодинамического равновесия. Наиболее важно понятие контактной разности потенциалов для твёрдых проводников (металлов и полупроводников). Если два твёрдых проводника привести в соприкосновение, то между ними происходит обмен электронами, причём вначале преимущественно электроны переходят из проводника с меньшей работой выхода в проводник с большей работой выхода. В результате этого процесса проводники приобретают электрические заряды противоположных знаков, что приводит к появлению электрического поля, препятствующего дальнейшему перетеканию электронов. В конечном счёте достигается равновесие, при котором потоки электронов в обоих направлениях становятся одинаковыми, и между проводниками устанавливается контактная разность потенциалов

 Значение контактной разности потенциалов равно разности работ выхода, отнесённой к заряду электрона. Если составить электрическую цепь из нескольких проводников, то контактная разность потенциалов между крайними проводниками определяется только их работами выхода и не зависит от промежуточных членов цепи (правило Вольта). Контактная разность потенциалов может достигать величины в несколько в. Она зависит от строения проводника и от состояния его поверхности. Поэтому величина контактной разности потенциалов может быть изменена обработкой поверхностей (покрытиями, адсорбцией и т. п.), введением примесей (в случае полупроводников) и сплавлением с др. веществами (в случае металлов).

 Электрическое поле контактной разности потенциалов сосредоточено в проводниках вблизи границы раздела и в зазоре между проводниками. Линейные размеры этой области порядка длины экранирования, которая тем больше, чем меньше концентрация электронов проводимости в проводнике. Длина экранирования в металлах имеет атомные размеры (10-8—10-7 см), а в полупроводниках колеблется в широких пределах и может достигать величины 10-4—10-5 см. Отсюда следуют два вывода: 1) из двух соприкасающихся тел контактная разность потенциалов приходится в основном на проводники с большим сопротивлением; 2) для полупроводников в области сосредоточения контактной разности потенциалов заметно изменяется концентрация носителей заряда.

 В случае контакта металла с полупроводником контактная разность потенциалов сосредоточена практически в полупроводнике и при достаточно большой величине заметно изменяет концентрацию носителей тока в приконтактной области полупроводника, а следовательно, и сопротивление этого слоя. Если образуется слой с высоким сопротивлением (обеднённый носителями тока), то при наложении внешней разности потенциалов концентрация носителей заряда будет в нём заметно меняться, причём несимметричным образом в зависимости от знака внешнего напряжения. Таким образом, Контактная разность потенциалов обусловливает нелинейность вольтамперных характеристик контактов металл — полупроводник, которые благодаря этому обладают выпрямительными свойствами.

 В случае контакта двух полупроводников из одного вещества, но с различными типами проводимости контактная разность потенциалов приводит к образованию переходного слоя объёмного заряда с нелинейной зависимостью сопротивления от внешнего напряжения.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

Как уже отмечалось, эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает ЭДС (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающей термоэдс зависит только от материала проводников и температур горячего (T1) и холодного (T2) контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс E можно считать пропорциональной разности температур:

E = α12(T2 − T1), где α12 — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс)

В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако строго говоря, он зависит и от температуры и в некоторых случаях с изменением температуры α12 меняет знак.

Более корректное выражение для термоэдс:

Объяснение эффекта

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта уровни Ферми становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов, равная

, где F — энергия Ферми, e — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

Фононное увличение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.

Термоэлектрический эффект Пельтье

При пропускании электрического тока через место спайки двух проводников (полупроводников) возникает так называемый термоэлектрический эффект Пельтье. Он сопровождается либо поглощением, либо выделением тепла.

Формула:

отражает взаимосвязь выделяемого тепла на спае с величиной термо-ЭДС проводников (p2, p1), окружающей температурой (T, в Кельвинах) и проходящим током (I). Если разница (p2 − p1) положительна и направление тока через спай 1 положительно, то на первом спае будет происходить выделение тепла. А в месте второго спая, соответственно, поглощение. Но эта формула не учитывает, что максимальный перепад температур в месте спайки ограничен. Вследствие эффекта Джоуля (рассеивания тепла в проводниках, пропорционального удельному сопротивлению ρ1, ρ2), а также ненулевой теплопроводности материалов (k1, k2) получаем верхний предел разности температур:

Причем величину Z = (p2 − p1)2 / (k1 + k2)(ρ1 + ρ2) называют добротностью системы. То есть для достижения наибольшей разницы температур необходимо подобрать такие материалы, которые образуют систему с максимальной добротностью. Если термопара используется для охлаждения, то для эффективной работы необходимо обеспечить беспрепятственное рассеивание тепловой мощности на 1 спае. Интересно отметить, что если охлаждающая способность одного модуля термопары недостаточна, то возможно каскадное соединение нескольких модулей.

Термопара

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу

Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термоэдс, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.

Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;

— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;

— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежании наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;

— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;

— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;

— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;

— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Применение термопар

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Преимущества термопар

Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С)

Большой температурный диапазон измерения: от −200 °C до 1800—2500 °C

Простота

Дешевизна

Надежность

Недостатки

Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.

На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный)

зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Типы термопар

платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R

платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S

платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B

железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J

медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т

нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N.

хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K

хромель-константановые ТХКн — Тип E

хромель-копелевые — ТХК — Тип L

медь-копелевые — ТМК — Тип М

сильх-силиновые — ТСС — Тип I

вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3

Сравнение термопар

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопары. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0.0025Г—T имела бы точность В±2.5 В°C в 1000 В°C.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5586. Строительное материаловедение. Курс лекций 906.5 KB
  Строительное материаловедение Лекция. Строение атома Уважаемые слушатели мы приступаем к изучению курса Строительное материаловедение. Лекции, которые будут прочитаны в течение данного семестра, помогут Вам разобраться в физико-химической сущност...
5587. Проблема выбора хозяйственных решений в условиях ограниченности ресурсов 193.5 KB
  Центральная проблема экономики - проблема выбора хозяйственных решений в условиях ограниченности ресурсов. Простейшая модель функционирования экономики - Граница производственных возможностей - позволяет проиллюстрировать решение основных з...
5588. Закон сохранения импульса 36.5 KB
  Закон сохранения импульса Для простоты рассмотрим движение системы, состоящей из трех точек, на каждую из которых действуют внутренние силы fik и внешние - Fi , где индекс i представляет номер точки. Уравнения движения для каждой точки имеют в...
5589. Психология личности. Курс лекций 1.13 MB
  Психология личности Лекция 1. Личность в системе современного научного знания План лекции: 1. Проблема человека в системе современного научного знания. Личность в философии, социологии и психологии. 2. О некоторых общих подходах изучения личности в ...
5590. Основы металлургического производства. Курс лекций 1.85 MB
  Лекция. Основы металлургического производства. Производство чугуна Основы металлургического производства Современное металлургическое производство и его продукция Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных произ...
5591. Сила, масса, импульс. Момент силы и импульса 44.5 KB
  Сила, масса, импульс. Момент силы и импульса. Причина изменения состояния тела, т.е. появление ускорения связана с понятием силы. Сила - векторная величина, она является также количественной мерой воздействия на выбранное нами тело со стороны д...
5592. Экономические ресурсы 63.5 KB
  Экономические ресурсы Выполнение основной цели деятельности предприятий - создание товаров и услуг, удовлетворяющих потребности людей, увеличение прибыли — предполагает использование экономических ресурсов. Пол экономическими ресурсами мы...
5593. Измерение расстояния по времени прохождения сигнала 416 KB
  Измерение расстояния по времени прохождения сигнала Рассмотрим три метода измерения расстояния, основанные на определении времени прохождения сигнала между объектом и приемником. Два из них - лазерные, один - ультразвуковой. Первый метод...
5594. Сравнительные исследования и анализ нововременных концепций времени 95 KB
  Что такое время. Этот вопрос с давних пор волновал человека. Ибо время постоянно присутствует в нашей жизни, определяет ее ход. На вопрос: что такое время? - мыслители разных эпох отвечали по-разному. В одну эпоху господствовала одна т...