Лабораторная работа № 6. Цель работы: ознакомление с явлениями, происходящими при контакте двух проводников.

КАЛИБРОВКА ТЕРМОПАРЫ И ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ЭДС.

Цель работы: ознакомление с явлениями, происходящими при контакте двух проводников.

Оборудование: источник питания 8,4 V, мультиметры М1 и М2, нагреватель НГ, соединительные провода.

Краткая теория

Термопара – это устройство для измерения температуры. Термопары – датчики температур, состоящие из двух соединённых между собой разнородных металлических проводников. Если контакты (обычно спаи) проводников (проволок), образующих термопару, находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила, которая зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Чувствительность термопар выше, если их соединять последовательно. Эти соединения называют термобатареями (или термостолбиками). Термопары применяются как для измерения ничтожно малых разностей температур, так и для измерения очень высоких и очень низких температур (например, внутри доменных печей или жидких газов). Точность определения температуры с помощью термопар составляет, как правило, несколько кельвин, а у некоторых термопар достигает 0,01 К. Термопары обладают рядом преимуществ перед обычными термометрами: имеют большую чувствительность и малую инерционность, позволяют проводить измерения в широком интервале температур и допускают дистанционные измерения.

Термопары бывают различных видов; рассмотрим техническую и полупроводниковую термопары.

Техническая термопара

Техническая термопара, употребляется для измерения температуры поточных газов. Она состоит из платиновой проволоки и проволоки из платинородия (сплава 90% платины и 10% родия). Спай обеих проволок, помещенный в зону высокой температуры (“горячий спай”), для предотвращения химического действия химического действия горячих газов на термопару защищен фарфоровой трубкой а. Свободные концы проволок подведены к зажимам b и c, которые подсоединяются к гальванометру,проградуированному непосредственно на градусы Цельсия.

Схема действия полупроводниковой термопары

Коэффициент полезного действия термопары 6-8%, а в лабораторных условиях 10%.

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Итальянский физик А. Вольта (1745-1827) установил, что если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называется рядом Вольта. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых до целых вольт.

Вольт экспериментально установил два закона:

1. Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2. Контактная разность потенциалов последовательно соединенных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Немецкий физик Т. Зеeбек (1770-1831) обнаружил, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру, возникает электрический ток.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлических проводников 1 и 2 с температурами спаев Т1 (контакт А) и Т2 (контакт В), причем Т1>Т2 (рис.6.1).

Не вдаваясь в подробности, отметим, что в замкнутой цепи для многих пар металлов (например, Cu-Bi, Ag-Cu, Au-Cu) электродвижущая сила прямо пропорциональна разности температур в контактах:

, (6.1)

где - величина, характеризующая свойства контакта двух металлов;

k = 1,38^.10^-23 Дж/К – константа Больцмана;

е = 1,6^.10^-19 Кл – заряд электрона;

n₀₁ и n₀₂ – числа электронов в единице объема каждого проводника. Направление тока при n₀₁> n₀₂ указано на(рис.6.1).

Из формулы (6.1) можно выразить α :

, (6.2)

где ε - называется термоэлектродвижущей силой. Направление тока при Т1>Т2 на (рис.6.1) показано стрелкой. Термоэлектродвижущая сила, например для пары металлов медь-константан, для разности температур 100 К составляет всего 4,25 мВ.

Контактная разносить потенциалов на границе двух металлов возникает вследствие различной величины работ выхода А₁ и А₂ электронов из этих металлов:

При А₁ > А₂ первый металл заряжается отрицательно, второй - положительно; практически не зависит от температуры. Второй причиной контактной разности потенциалов является различие концентраций n₀₁ и n₀₂ электронов проводимости в контактирующих металлах:

Т- температура по шкале Кельвина.

Явление Зеебека не противоречит второму началу термодинамики, так как в данном случае внутренняя энергия преобразуется в электрическую, для чего используется два источника теплоты (два контакта). Следовательно, для поддержания постоянного тока в рассматриваемой цепи необходимо поддерживать постоянство разности температур контактов: к более нагретому контакту непрерывно подводить теплоту, а от холодного - непрерывно ее отводить.

Французский физик Ж. Пельтье (1785-1845) обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулева теплоты, выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким образом, явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека. В отличие от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных металлических проводников 1 и 2 (рис.6.2), по которым пропускается ток I (его направление в данном случае выбрано совпадающим с направлением термотока). Согласно наблюдениям Пельтье, спай А, который при явлении Зеббека поддерживался бы при более высокой температуре, бедет теперь охлаждаться, а спай В – нагреваться. При изменении направления тока I спай А будет нагреваться, спай В – охлаждаться.

Объяснить явление Пельтье можно следующим образом. Электроны по разную сторону спая обладают различной средней энергией (полной – кинетической плюс потенциальной). Если электроны (направление их движения задано на (рис.6.2) пунктирными стрелками) пройдут через спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетке и спай будет нагреваться. В спае А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь недостающую энергию у кристаллической решетки, и спай будет охлаждаться.

Явление Пельтье используется в термодинамических полупроводниковых холодильниках, созданных впервые в 1954 г. под руководством А. Ф. Иоффе, и в некоторых электронных приборах.

Вильям Томсон, используя термоэлектрические явления, пришел к заключению, подтвердив его экспериментально, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье. Это явление получило название явления Томсона. Его можно объяснить следующим образом. Так как в более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если же электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они, наоборот, пополняют энергию за счет энергии решетки, в результате чего происходит поглощение теплоты Томсона.