Работа №5 Исследование термо-ЭДС металлов и сплавов (Работа №5 «Исследование термо-ЭДС металлов и сплавов»)

Работа 5. Исследование термо-ЭДС металлов и сплавовЦель работы – исследовать зависимость термо-ЭДС металлов и сплавовот типа контактных материалов и разности температур.Теоретическая частьРаспределение электронов в металлах. Металл для свободныхэлектронов – потенциальная яма, выход из которой требует затраты работыпо преодолению сил связи, удерживающих электрон в металле. На рис. 1представлена схема такой ямы, где горизонтальными линиями показаныэнергетические уровни, которые могут занимать электроны.Рис. 1При отсутствии внешнего энергетического воздействия (тепловаяэнергия, электрическое, магнитное поле, поток опята) электроны находятсяна уровнях невозбужденного состояния, которые полностью заполнены.Граница между уровнями невозбужденного и возбужденного состояний притемпературе абсолютного нуля резко выражена.

Её определяет уровеньФерми, соответствующий максимальной кинетической энергии, которуюможет иметь электрон в металле при данной температуре. Высота барьера,отсчитываемая от уровня Ферми до нулевого уровня, определяет работувыхода электрона из металла.Повышениекристаллическойтемпературырешетки,чтометаллаусиливаетвызываетколебаниевозмущениеатомовэлектронногораспределения и размытие границы перехода электронами от заполненных ксвободным уровням, в этом случае уровень Ферми определяет среднююэнергию размытой верхней границы распределения электронов.Контактная разность потенциалов.

Рассмотрим процессы, происходящиепри приведении в контакт двух проводников с электронной проводимостью.Пусть в изолированном состоянии электронный газ в этих проводникаххарактеризуется уровнями Ферми µ1 и µ2 и работами выходов χ1 и χ2.Энергетические диаграммы уровней электронов в проводниках для этогослучая приведены на рис. 2 (рассмотрим наиболее простой случай Т = 0оК).Рис. 2Приведем в контакт проводники, сблизив их до расстояния, при которомвозможен эффективный обмен электронами.

Из рис. 2а видно, что при такомконтакте против занятых электронами уровней невозбужденного состоянияпроводника 1, в проводнике 2 (выше уровня Ферми µ2) размещаютсянезанятые свободные уровни зоны проводимости этого проводника. Приналичии контакта электроны с занятых уровней проводника 1 будутпереходить на свободные уровни проводника 2, образуя поток электронов.При этом проводник 1, теряя электроны, будет заряжаться положительно,проводник 2, приобретая избыточные электроны – отрицательно. Наличиедополнительных зарядов вызывают смешение относительно друг другаэнергетических уровней проводников 1 и 2.

В проводнике 1 все уровниопускаются вниз, а в проводнике 2 – вверх относительно своих положений внезаряженном состоянии, в том числе и уровни Ферми µ1 и µ2. Равновесие вконтактном слое установится тогда, когда непрерывно понижающийсяуровень Ферми проводника 1 (µ1) и непрерывно повышающийся уровеньФерми проводника 2 (µ2) окажутся на одной высоте (см. рис. 2б). При этоммежду проводниками 1 и 2 установится равновесная разность потенциалов,равная по величине1U к  ( χ1 - χ 2 )eгде е=1,6×10-19 Кл – заряд электрона; UK – контактная разность потенциалов.Из приведенной формулы видно, что контактная разность потенциаловопределяетсяпроводников.разностьюработвыходаэлектроновконтактирующихИз электронной теории металлов известно, что контактную разностьпотенциалов между металлами А и B при температуре T (рис. 3) можнозаписать в видеU к  U AB (T )  φ B - φ A kT nAlnenBгде nA и nB – концентрации электронного газа в металлах А и B;φ A и φB – потенциалы соприкасающихся металлов;Т – абсолютная температура контакта, К; К= 1,38×I0-23 Дж/К – постояннаяБольцмана.Рис.

3Из этой формулы следует, что контактная разность потенциалов зависит отконцентрации электронного газа в металлах А и В и температуры контакта.Для различных пар металлов и сплавов контактная разностьпотенциалов 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. 4Пусть один из контактов находится при температуре Т1, другой – притемпературе Т2, тогда гальванометр в такой цепи покажет ЭДС, равнуюU к  U AB (T1 )  U BA (T2 )  (φ B - φ A ) kT1 nA kT2 nA k nAlnln ln (T1  T2 )enBenB e nBОтсюда следует, что если температура T1 равна T2, то ЭДС в цепиотсутствует. Если Т1 отлична от T2 (имеется горячий и холодный контактыдвух металлов), то в замкнутой цепи возникает ЭДС.U  α (T1  T2 ) , где α которуюназываютразноститемпературтермо-ЭДС.горячегоk nAlne nBТермо-ЭДСихолодногопрямоспаевпропорциональнадвухметаллов.Коэффициент пропорциональности α = δU δT , мкВ× K-1 называют удельнойтермо-ЭДС.Термо-ЭДС учитывают при проектировании прецезионной аппаратуры.Появление термо-ЭДС в измерительных цепях ведет к погрешностиизмерений, поэтому в измерительных приборах и образцовых резисторахстремятся применять металлы и сплавы с возможно меньшей термо-ЭДСотносительно меди.Поскольку монтаж электрических цепей в аппаратуре ведется чащевсего с помощью медных проводников, в справочниках приводятся значениятермо-ЭДС металлов и сплавов относительно меди.

Справочные данные длясдельной термо-ЭДС некоторых металлов приведены в табл. 1.Таблица 1МеталлУд. термо-ЭДС отн. Термопары. Подобрав две проволочки,меди, мкВ×К-1имеющиебольшуютермо-ЭДС12относительно друг, друга и обладающиеАлюминий-3.1линейной зависимостью термо-ЭДС отВольфрам0.2температуры, можно ими воспользоватьсяЖелезо14.8для измерения температуры.

Такую паруЗолото-0.3проводников называют термопарой. ДляМагний2.7получения надежного контакта проволочкиМолибден4.5на одном конце сваривают друг с другом.Олово-2.9Для изготовления термопар применяютСвинец-3.0чистые металлы: железо, медь, платину иСеребро-0.3специальные сплавы: копель (56% Cu, 44%Хром16.2Ni); алюмель (95% Ni, остальное Al, Si иЦинк-0.3Mg);хромель(90%Ni,платинородий (90% Pt, 10% Rh).10%Gr);Нарис.5приведеныграфики,определяющие зависимость термо-ЭДС отразности температур горячего и холодногоконтактов для наиболее употребительныхтермопар.Термопарыприменяютдляизмеренияследующих температур: платинородий –платина до 1600сС; медь – константан;железо – копель; хромель – копель до600°С.Из применяемых на практике термопарнаибольшуютермо-ЭДСприданнойразности температур развивает термопарахромель-копель (α≈ 83 мкВ×К-1)Описание стендаЛабораторный стенд включает в себя термостат, в который помещенытермопары. Температуру в термостате поддерживают постоянной, заданнойвеличины.Проводники исследуемых термопар выведены на переключательлабораторного макета.

Последний позволяет осуществить подключениекаждойиз исследуемойконтактнойпарыметаллов кзеркальномугальванометру и осуществить измерение термо-ЭДС. Электрическая схемамакета приведена на рис.6.Задание1. Снять экспериментальную зависимость термо-ЭДС исследуемыхконтактных пар от разности температур горячего и холодного контактовU(Δt).2. Определить удельную термо-ЭДС исследуемых пар металлов.Рис.6Порядок выполнения работыСтудентам предоставляется набор контактных пар металлов и сплавов1.

Экспериментально снять зависимость термо-ЭДС U, мкВ от разноститемператур горячего и холодного контактов Δt oC исследуемых контактныхпар. Включить в сеть термостат и измерительный гальванометр. Значениетемпературы термостата фиксировать по его термометру. В процессе нагреваобразца в интервале температур от 20°С до 100°С через 10°С фиксироватьзначение термо-ЭДС гальванометру (считывание показаний осуществляетсяпо световому пятну на шкале прибора)2. Построить зависимости U (Δt) в виде графиков.3.

Рассчитать удельную термо-ЭДС исследуемых пар по формулеα=ΔU/Δt, пользуясь экспериментально снятыми графиками.4. Заполнить табл. 2.5. Составить отчет по проделанной работе.Таблица 2КонтактнаяТермо-ЭДС, мкВУдельная термо-ЭДСпараРазность температур, Δt °Сα = δU δT , мкВ×К-1Содержание отчетаВ отчете привести экспериментальные и расчетные данные (в форметабл.2).ПредставитьэкспериментальныеграфикиU(Δt).Сравнитьтеоретические и экспериментальные данные по величинам удельных термоЭДС исследуемых контактных пар. Сделать выводы, какие контактные парыимеют большую термо-ЭДС, какие контактные пары можно использовать вкачестве термопар.Контрольные вопросы1.

Что такое термо-ЭДС?2. Что такое контактная разность потенциалов?3. Что такое удельная термо-ЭДС металлов и сплавов? Как её можноопределить?4. Почему значения удельной термо-ЭДС металлов и сплавовприводятся в справочниках относительно меди?5. Перечислите контактные пары металлов с высокой термо-ЭДС.6. Почему удельная термо-ЭДС – один из основных электрическихпараметров проводников?7. Укажите диапазон измерения температур основных термопар.8.

Какую термопару вы предпочитаете для измерения температуры до200 ... 300°С?ЛИТЕРАТУРА1. Епифанов Г.И., Мома С.А. физические основы конструирования итехнологии РЭА и ЗВА. – М.: Союз. радио, 1979.2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. – М.: Высшаяшкола, 1980..