Работа №5 Исследование термо-ЭДС металлов и сплавов (Работа №5 «Исследование термо-ЭДС металлов и сплавов»)
Описание файла
Документ из архива "Работа №5 «Исследование термо-ЭДС металлов и сплавов» ", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "радиоматериалы и радиокомпоненты" из 3 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. .
Онлайн просмотр документа "Работа №5 Исследование термо-ЭДС металлов и сплавов"
Текст из документа "Работа №5 Исследование термо-ЭДС металлов и сплавов"
Работа 5. Исследование термо-ЭДС металлов и сплавов
Цель работы – исследовать зависимость термо-ЭДС металлов и сплавов от типа контактных материалов и разности температур.
Теоретическая часть
Распределение электронов в металлах. Металл для свободных электронов – потенциальная яма, выход из которой требует затраты работы по преодолению сил связи, удерживающих электрон в металле. На рис. 1 представлена схема такой ямы, где горизонтальными линиями показаны энергетические уровни, которые могут занимать электроны.
Рис. 1
При отсутствии внешнего энергетического воздействия (тепловая энергия, электрическое, магнитное поле, поток опята) электроны находятся на уровнях невозбужденного состояния, которые полностью заполнены. Граница между уровнями невозбужденного и возбужденного состояний при температуре абсолютного нуля резко выражена. Её определяет уровень Ферми, соответствующий максимальной кинетической энергии, которую может иметь электрон в металле при данной температуре. Высота барьера, отсчитываемая от уровня Ферми до нулевого уровня, определяет работу выхода электрона из металла.
Повышение температуры металла усиливает колебание атомов кристаллической решетки, что вызывает возмущение электронного распределения и размытие границы перехода электронами от заполненных к свободным уровням, в этом случае уровень Ферми определяет среднюю энергию размытой верхней границы распределения электронов.
Контактная разность потенциалов. Рассмотрим процессы, происходящие при приведении в контакт двух проводников с электронной проводимостью.
Пусть в изолированном состоянии электронный газ в этих проводниках характеризуется уровнями Ферми µ1 и µ2 и работами выходов χ1 и χ2. Энергетические диаграммы уровней электронов в проводниках для этого случая приведены на рис. 2 (рассмотрим наиболее простой случай Т = 0оК).
Рис. 2
Приведем в контакт проводники, сблизив их до расстояния, при котором возможен эффективный обмен электронами. Из рис. 2а видно, что при таком контакте против занятых электронами уровней невозбужденного состояния проводника 1, в проводнике 2 (выше уровня Ферми µ2) размещаются незанятые свободные уровни зоны проводимости этого проводника. При наличии контакта электроны с занятых уровней проводника 1 будут переходить на свободные уровни проводника 2, образуя поток электронов. При этом проводник 1, теряя электроны, будет заряжаться положительно, проводник 2, приобретая избыточные электроны – отрицательно. Наличие дополнительных зарядов вызывают смешение относительно друг друга энергетических уровней проводников 1 и 2. В проводнике 1 все уровни опускаются вниз, а в проводнике 2 – вверх относительно своих положений в незаряженном состоянии, в том числе и уровни Ферми µ1 и µ2. Равновесие в контактном слое установится тогда, когда непрерывно понижающийся уровень Ферми проводника 1 (µ1) и непрерывно повышающийся уровень Ферми проводника 2 (µ2) окажутся на одной высоте (см. рис. 2б). При этом между проводниками 1 и 2 установится равновесная разность потенциалов, равная по величине
где е=1,6×10-19 Кл – заряд электрона; UK – контактная разность потенциалов.
Из приведенной формулы видно, что контактная разность потенциалов определяется разностью работ выхода электронов контактирующих проводников.
Из электронной теории металлов известно, что контактную разность потенциалов между металлами А и B при температуре T (рис. 3) можно записать в виде
где nA и nB – концентрации электронного газа в металлах А и B;
и 
– потенциалы соприкасающихся металлов;
Т – абсолютная температура контакта, К; К= 1,38×I0-23 Дж/К – постоянная Больцмана.
Рис. 3
Из этой формулы следует, что контактная разность потенциалов зависит от концентрации электронного газа в металлах А и В и температуры контакта.
Для различных пар металлов и сплавов контактная разность потенциалов лежит в пределах от десятых долей вольта до нескольких вольт.
Термо-ЭДС. Соберем замкнутую цепь из двух металлов А и B (рис. 4) Проведем измерение ЭДС в этой цепи.
Рис. 4
Пусть один из контактов находится при температуре Т1, другой – при температуре Т2, тогда гальванометр в такой цепи покажет ЭДС, равную
Отсюда следует, что если температура T1 равна T2, то ЭДС в цепи отсутствует. Если Т1 отлична от T2 (имеется горячий и холодный контакты двух металлов), то в замкнутой цепи возникает ЭДС.
, где 
которую называют термо-ЭДС. Термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев двух металлов. Коэффициент пропорциональности 
, мкВ× K-1 называют удельной термо-ЭДС.
Термо-ЭДС учитывают при проектировании прецезионной аппаратуры. Появление термо-ЭДС в измерительных цепях ведет к погрешности измерений, поэтому в измерительных приборах и образцовых резисторах стремятся применять металлы и сплавы с возможно меньшей термо-ЭДС относительно меди.
Поскольку монтаж электрических цепей в аппаратуре ведется чаще всего с помощью медных проводников, в справочниках приводятся значения термо-ЭДС металлов и сплавов относительно меди. Справочные данные для сдельной термо-ЭДС некоторых металлов приведены в табл. 1.
| Таблица 1 | ||
| Металл | Уд. термо-ЭДС отн. меди, мкВ×К-1 | Термопары. Подобрав две проволочки, имеющие большую термо-ЭДС относительно друг, друга и обладающие линейной зависимостью термо-ЭДС от температуры, можно ими воспользоваться для измерения температуры. Такую пару проводников называют термопарой. Для получения надежного контакта проволочки на одном конце сваривают друг с другом. Для изготовления термопар применяют чистые металлы: железо, медь, платину и специальные сплавы: копель (56% Cu, 44% Ni); алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mg); хромель (90% Ni, 10% Gr); платинородий (90% Pt, 10% Rh). На рис. 5 приведены графики, определяющие зависимость термо-ЭДС от разности температур горячего и холодного контактов для наиболее употребительных термопар. Термопары применяют для измерения следующих температур: платинородий – платина до 1600сС; медь – константан; железо – копель; хромель – копель до 600°С. Из применяемых на практике термопар наибольшую термо-ЭДС при данной разности температур развивает термопара хромель-копель (α≈ 83 мкВ×К-1) |
| 1 | 2 | |
| Алюминий | -3.1 | |
| Вольфрам | 0.2 | |
| Железо | 14.8 | |
| Золото | -0.3 | |
| Магний | 2.7 | |
| Молибден | 4.5 | |
| Олово | -2.9 | |
| Свинец | -3.0 | |
| Серебро | -0.3 | |
| Хром | 16.2 | |
| Цинк | -0.3 | |
|
| ||
Описание стенда
Лабораторный стенд включает в себя термостат, в который помещены термопары. Температуру в термостате поддерживают постоянной, заданной величины.
Проводники исследуемых термопар выведены на переключатель лабораторного макета. Последний позволяет осуществить подключение каждой из исследуемой контактной пары металлов к зеркальному гальванометру и осуществить измерение термо-ЭДС. Электрическая схема макета приведена на рис.6.
Задание
1. Снять экспериментальную зависимость термо-ЭДС исследуемых контактных пар от разности температур горячего и холодного контактов U(Δt).
2. Определить удельную термо-ЭДС исследуемых пар металлов.
Рис.6
Порядок выполнения работы
Студентам предоставляется набор контактных пар металлов и сплавов
1. Экспериментально снять зависимость термо-ЭДС U, мкВ от разности температур горячего и холодного контактов Δt oC исследуемых контактных пар. Включить в сеть термостат и измерительный гальванометр. Значение температуры термостата фиксировать по его термометру. В процессе нагрева образца в интервале температур от 20°С до 100°С через 10°С фиксировать значение термо-ЭДС гальванометру (считывание показаний осуществляется по световому пятну на шкале прибора)
2. Построить зависимости U (Δt) в виде графиков.
3. Рассчитать удельную термо-ЭДС исследуемых пар по формуле
α=ΔU/Δt, пользуясь экспериментально снятыми графиками.
4. Заполнить табл. 2.
5. Составить отчет по проделанной работе.
Таблица 2
| Контактная пара | Термо-ЭДС, мкВ | Удельная термо-ЭДС , мкВ×К-1 | |||||||
| Разность температур, Δt °С | |||||||||
Содержание отчета
В отчете привести экспериментальные и расчетные данные (в форме табл. 2). Представить экспериментальные графики U(Δt). Сравнить теоретические и экспериментальные данные по величинам удельных термо-ЭДС исследуемых контактных пар. Сделать выводы, какие контактные пары имеют большую термо-ЭДС, какие контактные пары можно использовать в качестве термопар.
Контрольные вопросы
1. Что такое термо-ЭДС?
2. Что такое контактная разность потенциалов?
3. Что такое удельная термо-ЭДС металлов и сплавов? Как её можно определить?
4. Почему значения удельной термо-ЭДС металлов и сплавов приводятся в справочниках относительно меди?
5. Перечислите контактные пары металлов с высокой термо-ЭДС.
6. Почему удельная термо-ЭДС – один из основных электрических параметров проводников?
7. Укажите диапазон измерения температур основных термопар.
8. Какую термопару вы предпочитаете для измерения температуры до 200 ... 300°С?
ЛИТЕРАТУРА
1. Епифанов Г.И., Мома С.А. физические основы конструирования и технологии РЭА и ЗВА. – М.: Союз. радио, 1979.
2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1980.
