ΑΦΗΡΗΜΕΝΗ

"Φυσική βάση για τη λήψη πληροφοριών"

«Φαινόμενο Τόμσον»

Ολοκληρώθηκε το:

Τέχνη. ομάδα Ε-71

Pitsenko K.S.

Τετραγωνισμένος:

Αναπλ. καφενείο EGAiMT

Voronin V.A.

Taganrog 2013

Εισαγωγή. 3

1. Φαινόμενο Thomson στους ημιαγωγούς. 5

2. Εφαρμογή του εφέ. 12

Εισαγωγή

Το φαινόμενο Thomson- ένα από τα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα, το οποίο συνίσταται στο γεγονός ότι σε έναν ομοιογενή άνισα θερμαινόμενο αγωγό με συνεχές ρεύμα, εκτός από τη θερμότητα που απελευθερώνεται σύμφωνα με το νόμο Joule-Lenz, θα απελευθερωθεί ή θα απορροφηθεί πρόσθετη θερμότητα Thomson στον όγκο τον αγωγό, ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος.

Η ποσότητα της θερμότητας Thomson είναι ανάλογη με την ισχύ του ρεύματος, τη διαφορά χρόνου και θερμοκρασίας, εξαρτάται από την κατεύθυνση του ρεύματος.

Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον W. Thomson το 1856.

Η εξήγηση της επίδρασης στην πρώτη προσέγγιση είναι η εξής. Σε συνθήκες όπου υπάρχει μια διαβάθμιση θερμοκρασίας κατά μήκος του αγωγού μέσω του οποίου ρέει το ρεύμα και η κατεύθυνση του ρεύματος αντιστοιχεί στην κίνηση των ηλεκτρονίων από το θερμό άκρο στο ψυχρό άκρο, όταν μετακινείται από ένα θερμότερο τμήμα σε ένα ψυχρότερο, Τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν την περίσσεια ενέργειας στα γύρω άτομα (απελευθερώνεται θερμότητα) και όταν βρίσκονται στην αντίθετη κατεύθυνση του ρεύματος, περνώντας από μια ψυχρότερη περιοχή σε μια θερμότερη, αναπληρώνουν την ενέργειά τους σε βάρος των γύρω ατόμων (η θερμότητα απορροφάται).

Στους ημιαγωγούς, είναι σημαντικό η συγκέντρωση των φορέων σε αυτούς να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Εάν ο ημιαγωγός θερμαίνεται ανομοιόμορφα, τότε η συγκέντρωση των φορέων φορτίου σε αυτόν θα είναι μεγαλύτερη όπου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη, επομένως η βαθμίδα θερμοκρασίας οδηγεί σε μια κλίση συγκέντρωσης, με αποτέλεσμα μια ροή διάχυσης των φορέων φορτίου. Αυτό οδηγεί σε παραβίαση της ηλεκτρικής ουδετερότητας. Ο διαχωρισμός των χρεώσεων δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίοπου εμποδίζει τον χωρισμό. Έτσι, εάν ένας ημιαγωγός έχει μια κλίση θερμοκρασίας, τότε έχει ένα μαζικό ηλεκτρικό πεδίο.

Ας υποθέσουμε τώρα ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα τέτοιο δείγμα υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Εάν το ρεύμα πάει ενάντια στο εσωτερικό πεδίο, τότε το εξωτερικό πεδίο πρέπει να κάνει επιπλέον δουλειάόταν μετακινούνται φορτία σε σχέση με το πεδίο, η οποία θα οδηγήσει σε απελευθέρωση θερμότητας, επιπλέον των απωλειών Lenz-Joule. Εάν το ρεύμα (ή το εξωτερικό πεδίο) κατευθύνεται κατά μήκος, τότε το ίδιο κάνει το έργο της μετακίνησης φορτίων για να δημιουργήσει ένα ρεύμα. Σε αυτή την περίπτωση, η εξωτερική πηγή ξοδεύει λιγότερη ενέργεια για να διατηρήσει το ρεύμα από ό,τι στην περίπτωση που δεν υπάρχει εσωτερικό πεδίο. Το έργο του πεδίου μπορεί να εκτελεστεί μόνο λόγω της θερμικής ενέργειας του ίδιου του αγωγού, οπότε ψύχεται. Το φαινόμενο της παραγωγής ή της απορρόφησης θερμότητας σε έναν αγωγό λόγω μιας βαθμίδας θερμοκρασίας κατά τη διέλευση του ρεύματος ονομάζεται φαινόμενο Thomson. Έτσι, η ύλη θερμαίνεται όταν τα πεδία και κατευθύνονται αντίθετα, και ψύχεται όταν οι κατευθύνσεις τους συμπίπτουν.

Στη γενική περίπτωση, η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται στον όγκο dV προσδιορίζεται από τη σχέση:

Πού είναι ο συντελεστής Thomson.

Το φαινόμενο Thomson στους ημιαγωγούς

Ογκομετρική απελευθέρωση ή απορρόφηση θερμότητας σε έναν ημιαγωγό υπό τη συνδυασμένη δράση ενός ηλεκτρικού ρεύματος και μιας διαβάθμισης θερμοκρασίας

Περιγραφή

Το φαινόμενο Thomson αναφέρεται σε θερμοηλεκτρικά φαινόμενα και συνίσταται στα εξής: όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από έναν ημιαγωγό (ή αγωγό) κατά μήκος του οποίου υπάρχει μια διαβάθμιση θερμοκρασίας, εκτός από τη θερμότητα Joule, μια επιπλέον ποσότητα θερμότητας θα απελευθερωθεί ή θα απορροφηθεί. σε αυτό, ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος (θερμότητα Thomson ).

Η ανομοιόμορφη θέρμανση ενός αρχικά ομοιογενούς δείγματος αλλάζει τις ιδιότητές του, καθιστώντας την ουσία ανομοιογενή. Επομένως, το φαινόμενο Thomson είναι στην ουσία ένα ιδιότυπο φαινόμενο Peltier, με τη διαφορά ότι η ανομοιογένεια δεν προκαλείται από τη διαφορά χημική σύνθεσηδείγμα, αλλά όχι την ίδια θερμοκρασία.

Η εμπειρία και οι θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι το φαινόμενο Thomson υπακούει στον ακόλουθο νόμο:

,

πού είναι η θερμότητα Thomson που απελευθερώνεται (ή απορροφάται) ανά μονάδα χρόνου ανά μονάδα όγκου του ημιαγωγού (ειδική θερμική ισχύς);

j είναι η πυκνότητα ρεύματος.

Διαβάθμιση θερμοκρασίας κατά μήκος του δείγματος.

t είναι ο συντελεστής Thomson, ο οποίος εξαρτάται από τη φύση του ημιαγωγού και τη θερμοκρασία του.

Ο παραπάνω τύπος (η λεγόμενη διαφορική μορφή του νόμου) μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα τμήμα του δείγματος x, κατά μήκος του οποίου ρέει το ρεύμα I και υπάρχει μια ορισμένη διαφορά θερμοκρασίας: (βλ. Εικ. 1)

Ημιαγωγός με μικτή αγωγιμότητα

Ο νόμος του Thomson σε ολοκληρωμένη μορφή καθορίζει τη συνολική ποσότητα της θερμότητας του Thomson Qt που απελευθερώνεται (ή απορροφάται) σε ολόκληρο τον όγκο του υπό εξέταση ημιαγωγού (DV=SЧDx) κατά τη διάρκεια του χρόνου t:

,

ή τέλος:

Qt= tHDT HCH t.

Σε αυτήν την περίπτωση, το φαινόμενο Thomson θεωρείται θετικό εάν το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει προς την κατεύθυνση της βαθμίδας θερμοκρασίας (I dT/dx) προκαλεί τη θέρμανση του ημιαγωγού (Qt>0) και αρνητικό εάν κρυώσει στο ίδιο ρεύμα. κατεύθυνση (Qt<0).

Η εξήγηση του φαινομένου Thomson για ημιαγωγούς με έναν τύπο φορέων (ηλεκτρόνια ή οπές) είναι παρόμοια με την περίπτωση των μεταλλικών αγωγών. Πρώτον, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η μεταβολή της μέσης ενέργειας των φορέων φορτίου κατά μήκος του δείγματος λόγω της ανομοιόμορφης θέρμανσης του. Στο θερμότερο μέρος του ημιαγωγού, η μέση ενέργεια των ηλεκτρονίων (ή οπών) είναι μεγαλύτερη από ό,τι στο λιγότερο θερμαινόμενο τμήμα. Επομένως, εάν η κατεύθυνση του ρεύματος στον ημιαγωγό αντιστοιχεί στην κίνηση των φορέων ρεύματος από το θερμό άκρο στο ψυχρό, τότε θα μεταφέρουν την περίσσεια ενέργειά τους στο κρυσταλλικό πλέγμα, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση θερμότητας Thomson (Qt>0 ).

Στην αντίστροφη κατεύθυνση του ρεύματος, οι φορείς φορτίου, που κινούνται από το ψυχρό άκρο στο θερμαινόμενο άκρο, θα αναπληρώσουν την ενέργειά τους λόγω του πλέγματος, δηλ. απορροφάται η αντίστοιχη ποσότητα θερμότητας (Qt<0).

Σε ημιαγωγούς με μικτή αγωγιμότητα, παρουσία ρεύματος, τα ηλεκτρόνια και οι οπές κινούνται το ένα προς το άλλο και οι ροές θερμότητας που μεταφέρονται από αυτά θα αντισταθμιστούν. Έτσι, στο σχ. 1, οι οπές μετακινούνται από το θερμό άκρο στο ψυχρό άκρο, το οποίο, ελλείψει ηλεκτρονικής αγωγιμότητας, θα πρέπει να οδηγήσει στην απελευθέρωση θερμότητας Thomson. Ωστόσο, με την κίνηση των ηλεκτρονίων (από το ψυχρό άκρο στο θερμό άκρο), συνδέεται η απορρόφηση θερμότητας. Ως αποτέλεσμα, όταν οι συγκεντρώσεις και η κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών είναι ίσες, η θερμότητα Thomson δεν απελευθερώνεται (Qt=0).

Ο δεύτερος παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη σχετίζεται με το θερμοηλεκτρικό πεδίο που προκύπτει υπό συνθήκες ανομοιογένειας θερμοκρασίας (Εικ. 2, 3).

Απελευθέρωση και απορρόφηση θερμότητας Thomson σε ηλεκτρονικό ημιαγωγό

n-αγωγός

Απελευθέρωση και απορρόφηση θερμότητας Thomson σε ημιαγωγό οπής

p-αγωγός

Σκεφτείτε έναν ημιαγωγό με ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Έστω Т1>Т2, δηλ. η διαβάθμιση θερμοκρασίας κατευθύνεται από το σημείο 2 στο σημείο 1 (Εικ. 2). Η διάχυση των ηλεκτρονίων από το θερμό άκρο στο ψυχρό οδηγεί σε διαχωρισμό φορτίου. έναντι της διαβάθμισης θερμοκρασίας. Εάν το ρεύμα ρέει προς την κατεύθυνση της βαθμίδας θερμοκρασίας (τα ηλεκτρόνια κινούνται προς την κατεύθυνση του πεδίου ET), τότε το πεδίο ET θα επιβραδύνει τα ηλεκτρόνια και το τμήμα ημιαγωγών 1-2 θα κρυώσει (Qt<0). Если ток течет в обратном направлении, то произойдет нагревание участка 1-2.

Σε έναν ημιαγωγό οπών, οι λόγοι θα είναι αντίστροφοι (Εικ. 3). Το φαινόμενο μοιάζει σαν μια πρόσθετη ροή θερμότητας που σχετίζεται με τη διέλευση ενός ηλεκτρικού ρεύματος να υπερτίθεται στη συνήθη ροή θερμότητας που προκαλείται από τη θερμική αγωγιμότητα. Στους ημιαγωγούς οπών, η πρόσθετη ροή θερμότητας κατευθύνεται προς την ίδια κατεύθυνση που ρέει το ηλεκτρικό ρεύμα. Στους ηλεκτρονικούς ημιαγωγούς, οι κατευθύνσεις του ρεύματος και της θερμότητας είναι αντίθετες.

Οι εξεταζόμενοι παράγοντες δρουν σε αντίθετες κατευθύνσεις, καθορίζοντας όχι μόνο το μέγεθος, αλλά και το πρόσημο των t και Qt.

Για μια ποσοτική μελέτη του φαινομένου Thomson, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα πείραμα, το σχήμα του οποίου φαίνεται στο Σχ. 4

Πειραματικό σχήμα για την παρατήρηση του φαινομένου Thomson

Δύο πανομοιότυπες ράβδοι AB και CD λαμβάνονται από το υλικό που δοκιμάζεται (για παράδειγμα, ένας ημιαγωγός τύπου p). Τα άκρα Α και Γ συνδέονται μεταξύ τους και διατηρούνται στην ίδια θερμοκρασία (π.χ. TA=TC=100°C). Οι θερμοκρασίες των ελεύθερων άκρων B και D είναι επίσης ίσες (για παράδειγμα, TB=TD=0°C). Στο πείραμα μετράται η διαφορά θερμοκρασίας για δύο σημεία α και β, επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε ελλείψει ρεύματος η θερμοκρασία τους να είναι ίδια (Ta=Tb=T0). Όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα σε μια ράβδο (στο σχήμα, αυτή είναι η ράβδος CD), μια πρόσθετη ροή θερμότητας περνά από αριστερά προς τα δεξιά (Qt> 0) και στην άλλη ράβδο (AB) - από δεξιά προς τα αριστερά ( Qt<0). В результате между точками а и b возникает разность температур DТ=Тa -Тb, которая регистрируется термопарами. При изменении направления тока знак разности температур изменяется на противоположный.

Το φαινόμενο Thomson, όπως και άλλα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα, έχει φαινομενολογικό χαρακτήρα.

Ο συντελεστής Thomson σχετίζεται με τους συντελεστές Peltier p και τη θερμοισχύ a με τη σχέση Thomson:

.

Για μια αλυσίδα που αποτελείται από δύο ανόμοια υλικά, έχουμε:

.

Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις σχέσεις, μπορεί κανείς να λάβει την τιμή της εξάρτησης του t από τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση του φορέα κ.λπ.

Από τις μετρήσεις του συντελεστή Thomson, μπορεί κανείς να προσδιορίσει τον θερμοηλεκτρικό συντελεστή ενός υλικού, και όχι τη διαφορά στους συντελεστές δύο υλικών, όπως στην άμεση μέτρηση των a και p. Αυτό επιτρέπει, μετρώντας το t και προσδιορίζοντας το a από αυτό. σε ένα από τα μέταλλα, πάρτε την απόλυτη θερμοηλεκτρική κλίμακα.

Το φαινόμενο Thomson δεν έχει τεχνική εφαρμογή, αλλά πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στους ακριβείς υπολογισμούς των θερμοηλεκτρικών συσκευών.

Το φαινόμενο περιγράφηκε και ανακαλύφθηκε το 1854 από τον William Thomson, ο οποίος ανέπτυξε τη θερμοδυναμική θεωρία του θερμοηλεκτρισμού.

Συγχρονισμός

Χρόνος έναρξης (καταγραφή σε -3 έως 2).

Διάρκεια ζωής (log tc 13 έως 15).

Χρόνος υποβάθμισης (log td -3 έως 2).

Βέλτιστος χρόνος ανάπτυξης (log tk -2 έως 1).

Διάγραμμα:

Τεχνικές υλοποιήσεις του αποτελέσματος

Εφαρμογή του φαινομένου Thomson σε ημιαγωγούς

Η περιγραφή της τεχνικής υλοποίησης του φαινομένου Thomson (σχήμα εμπειρίας για μια ποσοτική μελέτη του φαινομένου) δίνεται στην ενότητα «ουσία», βλ. 4 και σχόλια επ' αυτού.

Εφαρμογή εφέ

Το φαινόμενο Thomson δεν έχει τεχνικές εφαρμογές, αλλά πρέπει να λαμβάνεται υπόψη σε σχετικά ακριβείς υπολογισμούς θερμοηλεκτρικών συσκευών.

Για παράδειγμα, κατά τον προσδιορισμό της απόδοσης των θερμοηλεκτρικών γεννητριών για να ληφθεί υπόψη η θερμότητα του Thomson, ο θερμοηλεκτρικός συντελεστής υπολογίζεται ως η μέση τιμή των τιμών και στα δύο άκρα του θερμοστοιχείου.

1. Physical Encyclopedia.- M.: Great Russian Encyclopedia, 1998.- T.3.- S.552.- T.5.- S.98-99.

2. Sivukhin S.D. Γενικό μάθημα φυσικής.- Μ.: Nauka, 1977.- V.3. Ηλεκτρισμός.- S.481-490.

3. Στίλμπανς Λ.Σ. Φυσική ημιαγωγών.- Μ., 1967.- Σ.75-83, 292-311.

4. Ioffe A.F. Θερμοστοιχεία ημιαγωγών - Μ., 1960.

Η διαφορά δυναμικού επαφής που προκύπτει είναι:

ϕ − ϕ		= −(Α	− A ) / e +

Εξετάστε την περίπτωση που τρεις διαφορετικοί αγωγοί έρχονται σε επαφή στην ίδια θερμοκρασία.

Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων ενός ανοιχτού κυκλώματος θα είναι ίση με το αλγεβρικό άθροισμα των αλμάτων δυναμικού σε όλες τις επαφές:

ϕ 1 - ϕ 3 = (ϕ 1 - ϕ 2 ) + (ϕ 2 - ϕ 3 ) ,

οπότε, χρησιμοποιώντας τις σχέσεις (1) και (2), παίρνουμε:

ϕ − ϕ		= −(A − A ) / e +

Όπως φαίνεται, η διαφορά δυναμικού επαφής δεν εξαρτάται από τον ενδιάμεσο αγωγό.

Εικ.1 Σύνδεση τριών διαφορετικών αγωγών

Εάν κλείσετε το ηλεκτρικό κύκλωμα που φαίνεται στο σχήμα 1, τότε το εφαρμοζόμενο e. δ.σ. Το ε θα είναι ίσο με το αλγεβρικό άθροισμα όλων των δυνητικών αλμάτων που πραγματοποιούνται όταν περιστρέφεται το κύκλωμα:

ε = (ϕ 1 - ϕ 2 ) + (ϕ 2 - ϕ 3 ) + (ϕ 3 - ϕ 1 ) , (6)

από όπου προκύπτει ότι ε =0.

Έτσι, όταν ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα σχηματίζεται από πολλούς μεταλλικούς αγωγούς στην ίδια θερμοκρασία, π.χ. δ.σ. λόγω της διαφοράς δυναμικού επαφής δεν προκύπτει. Για να προκύψει το ρεύμα, οι ενώσεις των αγωγών πρέπει να είναι σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Μια διαφορά δυναμικού επαφής συμβαίνει όχι μόνο μεταξύ δύο μετάλλων, αλλά και μεταξύ δύο ημιαγωγών, ενός μετάλλου και ενός ημιαγωγού, δύο διηλεκτρικών.

1.2 ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

Είναι γνωστό ότι η συνάρτηση εργασίας των ηλεκτρονίων από ένα μέταλλο εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Επομένως, η διαφορά δυναμικού επαφής εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία. Αν η θερμοκρασία των επαφών ενός κλειστού κυκλώματος που αποτελείται από πολλά μέταλλα δεν είναι η ίδια, τότε το συνολικό e. δ.σ. κύκλωμα δεν θα είναι ίσο με μηδέν, και ένα ηλεκτρικό ρεύμα προκύπτει στο κύκλωμα. Το φαινόμενο της εμφάνισης θερμοηλεκτρικού ρεύματος (φαινόμενο Seebeck) και τα σχετικά φαινόμενα Peltier και Thomson ανήκουν στα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα.

ΕΠΙΔΡΑΣΗ SEEBECK

Το φαινόμενο Seebeck είναι η εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα κλειστό κύκλωμα που αποτελείται από ανόμοιους αγωγούς συνδεδεμένους σε σειρά, οι επαφές μεταξύ των οποίων έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Γερμανό φυσικό T. Seebeck το 1821.

Θεωρήστε ένα κλειστό κύκλωμα που αποτελείται από δύο αγωγούς 1 και 2 με θερμοκρασίες σύνδεσης TA (επαφή Α) και TB (επαφή Β), που φαίνεται στο σχήμα 2.

Θεωρούμε TA > TV . Η ηλεκτροκινητική δύναμη ε που προκύπτει σε αυτό το κύκλωμα είναι ίση με το άθροισμα των αλμάτων δυναμικού και στις δύο επαφές:

ε = (ϕ 1 − ϕ 2 ) + (ϕ 2 − ϕ 1 ) .

Χρησιμοποιώντας τη σχέση (3), παίρνουμε:

ε = (Τ		−Τ

Επομένως, σε ένα κλειστό κύκλωμα, π. d.s., η τιμή του οποίου είναι ευθέως ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας στις επαφές. Αυτή είναι η θερμοηλεκτρική δύναμη

(δηλ. δ.σ.).

Ποιοτικά, το φαινόμενο Seebeck μπορεί να εξηγηθεί ως εξής. Οι εξωτερικές δυνάμεις που δημιουργούν θερμοηλεκτρική ισχύ είναι κινητικής προέλευσης. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια μέσα στο μέταλλο είναι ελεύθερα, μπορούν να θεωρηθούν ως ένα είδος αερίου. Η πίεση αυτού του αερίου πρέπει να είναι ίδια σε όλο το μήκος του αγωγού. Εάν διαφορετικά τμήματα του αγωγού έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε απαιτείται ανακατανομή της συγκέντρωσης ηλεκτρονίων για να εξισορροπηθεί η πίεση. Αυτό οδηγεί στη δημιουργία ρεύματος.

Διεύθυνση ρεύματος I, που φαίνεται στο σχ. Το 2 αντιστοιχεί στην περίπτωση TA >TB, n1 >n2. Εάν αλλάξετε το πρόσημο της διαφοράς θερμοκρασίας των επαφών, τότε η κατεύθυνση του ρεύματος θα αλλάξει προς το αντίθετο.

EΦΕ PELTIER

Το φαινόμενο Peltier είναι το φαινόμενο της απελευθέρωσης ή απορρόφησης πρόσθετης θερμότητας, εκτός από θερμότητα Joule, στην επαφή δύο διαφορετικών αγωγών, ανάλογα με την κατεύθυνση στην οποία ρέει το ηλεκτρικό ρεύμα. Το φαινόμενο Peltier είναι το αντίστροφο του φαινομένου Seebeck. Εάν η θερμότητα Joule είναι ευθέως ανάλογη με το τετράγωνο της ισχύος ρεύματος, τότε η θερμότητα Peltier είναι ευθέως ανάλογη με την τρέχουσα ισχύ στην πρώτη ισχύ και αλλάζει πρόσημο όταν αλλάζει η κατεύθυνση του ρεύματος.

Θεωρήστε ένα κλειστό κύκλωμα που αποτελείται από δύο διαφορετικούς μεταλλικούς αγωγούς, μέσω των οποίων ρέει το ρεύμα I΄ (Εικ. 3). Αφήστε την κατεύθυνση του ρεύματος I΄ να συμπίπτει με την κατεύθυνση του ρεύματος που έδειξα στο σχ. 2 για την υπόθεση TV>TA . Επικοινωνήστε με την Α, η οποία στο φαινόμενο Seebeck θα είχε περισσότερα υψηλή θερμοκρασία, θα κρυώσει τώρα και η επαφή Β θα θερμανθεί. Η τιμή της θερμότητας Peltier καθορίζεται από τη σχέση:

Q \u003d P I / t,

όπου I΄ είναι η ένταση ρεύματος, t είναι ο χρόνος διέλευσης του, P είναι ο συντελεστής Peltier, ο οποίος εξαρτάται από τη φύση των υλικών που έρχονται σε επαφή και τη θερμοκρασία.

Λόγω της παρουσίας διαφορών δυναμικού επαφής στα σημεία Α και Β, προκύπτουν ηλεκτρικά πεδία επαφής με ισχύ Er. Στην επαφή Α, αυτό το πεδίο είναι το ίδιο με την κατεύθυνση

την κίνηση των ηλεκτρονίων, και στην επαφή Β τα ηλεκτρόνια κινούνται ενάντια στο πεδίο Er . Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα, επιταχύνονται στην επαφή Β, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της κινητικής τους ενέργειας. Όταν συγκρούονται με μεταλλικά ιόντα, αυτά τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν ενέργεια σε αυτά. Ως αποτέλεσμα, η εσωτερική ενέργεια στο σημείο Β αυξάνεται και η επαφή θερμαίνεται. ΣΕ

σημείο Α, αντίθετα, η ενέργεια των ηλεκτρονίων μειώνεται, αφού το πεδίο E r τα επιβραδύνει. Αντίστοιχα, η επαφή Α ψύχεται, επειδή. Τα ηλεκτρόνια λαμβάνουν ενέργεια από ιόντα στις θέσεις του κρυσταλλικού πλέγματος.

Το φαινόμενο Thomson

Το φαινόμενο Thomson συνίσταται στο γεγονός ότι όταν το ρεύμα διέρχεται από έναν ανομοιόμορφα θερμαινόμενο αγωγό, απελευθερώνεται ή απορροφάται επιπλέον θερμότητα, παρόμοια με το φαινόμενο Peltier.

Δεδομένου ότι διαφορετικά τμήματα του αγωγού θερμαίνονται διαφορετικά, οι φυσικές τους καταστάσεις διαφέρουν επίσης. Ένας ανομοιόμορφα θερμαινόμενος αγωγός συμπεριφέρεται σαν ένα σύστημα φυσικώς ανόμοιων τμημάτων σε επαφή. Στο θερμότερο μέρος του αγωγού, η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από ό,τι στο λιγότερο θερμαινόμενο τμήμα. Ως εκ τούτου, στη διαδικασία της κίνησης, δίνουν μέρος της ενέργειάς τους σε μεταλλικά ιόντα στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Ως αποτέλεσμα, απελευθερώνεται θερμότητα. Εάν τα ηλεκτρόνια μετακινηθούν σε μια περιοχή όπου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη, τότε αυξάνουν την ενέργειά τους λόγω της ενέργειας των ιόντων και το μέταλλο ψύχεται.

2.ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ

Το φαινόμενο Seebeck χρησιμοποιείται ευρέως σε συσκευές μέτρησης θερμοκρασίας και συσκευές άμεσης μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η απλούστερη τέτοια συσκευή αποτελείται από δύο ανόμοιους μεταλλικούς αγωγούς Μ1 και Μ2 που συνδέονται σε σειρά με συγκόλληση ή συγκόλληση. Ένα τέτοιο κύκλωμα ονομάζεται θερμοηλεκτρικός μετατροπέας (θερμοζεύγος), οι αγωγοί που αποτελούν το θερμοστοιχείο ονομάζονται ηλεκτρόδια και οι θέσεις όπου συνδέονται είναι σύνδεσμοι. Το σχήμα 4 δείχνει τυπικά κυκλώματα θερμοστοιχείου.

Εικ.4. Τυπικά κυκλώματα θερμοστοιχείου

Στο Σχ. 4α, η συσκευή μέτρησης 1 συνδέεται με τη βοήθεια συρμάτων σύνδεσης 2 στο διάκενο ενός από τα θερμοηλεκτρόδια Μ1. Πρόκειται για ένα τυπικό κύκλωμα θερμοστοιχείου με επαφή ελεγχόμενης θερμοκρασίας, όταν η θερμοκρασία μιας από τις διασταυρώσεις διατηρείται σταθερή (συνήθως σε θερμοκρασία τήξης πάγου 273Κ).

Στο Σχ. 4β, η συσκευή μέτρησης συνδέεται με τα άκρα των θερμοηλεκτροδίων Μ1 και Μ2. Το TA και το TB είναι οι θερμοκρασίες των «θερμών» και «κρύων» επαφών του θερμοστοιχείου, αντίστοιχα. Αυτό είναι ένα τυπικό κύκλωμα για την ενεργοποίηση ενός θερμοστοιχείου με μη θερμοστάτη επαφή "ρελαντί", όταν η θερμοκρασία της τηλεόρασης είναι ίση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Η θερμοισχύς ε ενός θερμοστοιχείου σε ένα μικρό εύρος θερμοκρασίας είναι ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των ενώσεων:

ε = α 12 (T A − T B ) ,

όπου αAB - συντελεστής τε δ.σ.(η αξία του t.e.f.s., που προκύπτει από τη διαφορά

θερμοκρασίες διασταύρωσης σε 1K).

α 12 = dT d ε ή α 12 = ∆ ∆ T ε .

Ο συντελεστής θερμικής ισχύος α 12 εξαρτάται από τους συντελεστές του te. δ.σ. Οι ουσίες α 1 και α 2 των θερμοηλεκτροδίων:

α 12 = α 1 − α 2 .

Συντελεστές τ.ε. δ.σ. προσδιορίζονται διάφορες ουσίες σε σχέση με τον μόλυβδο, για τις οποίες α Pb = 0. Συντελεστής τε δ.σ. μπορεί να είναι και θετικό και

αρνητική τιμή και γενικά εξαρτάται από τη θερμοκρασία.

Για να λάβετε τη μέγιστη τιμή του te. δ.σ. είναι απαραίτητο να επιλέξετε υλικά με τους υψηλότερους συντελεστές π.χ. δ.σ. αντίθετο σημάδι.

Με αύξηση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των κόμβων, δηλ. δ.σ. δεν θα αλλάξει σύμφωνα με έναν γραμμικό νόμο, επομένως, πριν τη μέτρηση της θερμοκρασίας με ένα θερμοστοιχείο, βαθμονομείται.

Το εύρος θερμοκρασίας που μετράται από τα θερμοστοιχεία είναι πολύ μεγάλο: από τη θερμοκρασία του υγρού ηλίου έως αρκετές χιλιάδες βαθμούς. Για να αυξηθεί η ακρίβεια των μετρήσεων, χρησιμοποιείται ένα κύκλωμα σύνδεσης θερμοστοιχείου με επαφή ελεγχόμενης θερμοκρασίας (Εικ. 4α).

Το thermopower είναι πολύ ευαίσθητο στην παρουσία χημικών ακαθαρσιών στη διασταύρωση. Για την προστασία της διασταύρωσης εργασίας του θερμοστοιχείου από εξωτερικές χημικές επιδράσεις, μπορεί να τοποθετηθεί σε προστατευτικό χημικό κέλυφος.

Για να αυξηθεί η θερμοηλεκτρική ισχύς, τα θερμοστοιχεία συνδέονται σε σειρά σε θερμοπίλους. Όλες οι ζυγές διασταυρώσεις διατηρούνται σε μια θερμοκρασία και οι περιττές διασταυρώσεις σε μια άλλη. Η θερμοηλεκτρική δύναμη μιας τέτοιας μπαταρίας είναι ίση με το άθροισμα των t. e. δ.σ. τα επιμέρους στοιχεία του

Εικ.5 Θερμοπήλη

Οι μικροσκοπικές θερμοπίσλες, που αποτελούνται από τις πιο λεπτές λωρίδες δύο διαφορετικών υλικών, χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμαινόμενων σωμάτων και τη μέτρηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από αυτά. Σε συνδυασμό με ένα ευαίσθητο γαλβανόμετρο ή συσκευή ηλεκτρονικής ενίσχυσης, μπορούν να ανιχνεύσουν, για παράδειγμα, τη θερμική ακτινοβολία ενός ανθρώπινου χεριού σε απόσταση πολλών μέτρων. Η υψηλή ευαισθησία των θερμοπίσκων τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται ως αισθητήρες για συσκευές συναγερμού αύξησης θερμοκρασίας.

Οι θερμομπαταρίες χρησιμοποιούνται επίσης ως γεννήτριες ηλεκτρικού ρεύματος. Έχουν απλό σχεδιασμό και δεν περιέχουν μηχανικά κινούμενα μέρη. Ωστόσο, η χρήση μεταλλικών θερμοστοιχείων ως γεννήτριες είναι αναποτελεσματική, επομένως χρησιμοποιούνται υλικά ημιαγωγών για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Δεδομένου ότι το φαινόμενο Peltier σχετίζεται με τις διαδικασίες απελευθέρωσης και απορρόφησης θερμότητας, χρησιμοποιείται σε συσκευές ψύξης (ψυγεία).

3. ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΑΡΙΟΥ

Για τη βαθμονόμηση, χρησιμοποιούνται τιμές θερμοκρασίας που είναι γνωστές εκ των προτέρων με υψηλή ακρίβεια (για παράδειγμα, θερμοκρασία τήξης πάγου, βραστό νερό, τήξη καθαρών μετάλλων). Κατά τη βαθμονόμηση, η ψυχρή διασταύρωση του θερμοστοιχείου θερμοσταίνεται σε δοχείο Dewar με πάγο που λιώνει (δηλαδή διατηρείται σε θερμοκρασία 00 C) και η δεύτερη σύνδεση βυθίζεται εναλλάξ σε λουτρά με γνωστή θερμοκρασία. Τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης παρουσιάζονται με τη μορφή πίνακα βαθμονόμησης ή γραφήματος εξάρτησης, π.χ. δ.σ. από τη θερμοκρασία.

ΕΦΑΡΜΟΓΗ

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΕΞΗΓΗΣΗ ΤΗΣ ΕΜΦΑΝΙΣΗΣ Τ.Ε.Δ.Σ.

Η εμφάνιση της θερμοηλεκτρικής δύναμης οφείλεται σε τρεις λόγους:

1. η εξάρτηση από τη θερμοκρασία του επιπέδου Fermi, που οδηγεί στην εμφάνιση ενός στοιχείου επαφής, δηλ. δ.σ.;

2. διάχυση των φορέων φορτίου από το θερμό άκρο στο ψυχρό, που καθορίζει το κλάσμα όγκου του t. δ.σ.;

3. η διαδικασία έλξης ηλεκτρονίων από φωνόνια, που δίνει ένα ακόμη συστατικό

- φωνών.

Εξετάστε τον πρώτο λόγο Μέγιστη κινητική ενέργεια ηλεκτρονίων αγωγιμότητας σε ένα μέταλλο στα 0K

ονομάζεται ενέργεια Fermi. Το επίπεδο Fermi στο απόλυτο μηδέν και η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας σχετίζονται με τη σχέση:

	Ef(0) =		(3 π 2 n ) 2 / 3
		8 π 2 m

όπου h είναι η σταθερά του Planck, m είναι η μάζα ηλεκτρονίων, n η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας.

Σε ανόμοια μέταλλα, η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας δεν είναι η ίδια, επομένως τα επίπεδα Fermi EF1 και EF2 θα είναι επίσης διαφορετικά. Έστω η συγκέντρωση n2 στο μέταλλο Μ2 μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση n1 στο μέταλλο Μ1. Εξετάστε τα ενεργειακά διαγράμματα δύο αγωγών Μ1 και Μ2 που βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους (Εικ. Ρ1α). Έστω W0 η ενέργεια ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου σε ηρεμία στο κενό, όπου η δυναμική του ενέργεια είναι ίση με μηδέν. Στη συνέχεια, σε σχέση με αυτό το επίπεδο, η δυναμική ενέργεια του ηλεκτρονίου αγωγιμότητας στο μέταλλο προσδιορίζεται από την εσωτερική του δυναμική ενέργεια eφ και αποτελεσματική εργασίαέξοδος Α, και η κινητική ενέργεια εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το επίπεδο Fermi. Συμβολίζουμε τη συνολική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου σε ένα μέταλλο ως EF + eφ

Εάν τα μέταλλα M1 και M2 έρθουν σε επαφή (Εικ. P1 b, c), θα αρχίσει η διάχυση ηλεκτρονίων, κατά την οποία τα ηλεκτρόνια θα περάσουν από το μέταλλο 2 στο μέταλλο 1, αφού n1

Ρύζι. P1. Ενεργειακό διάγραμμα δύο μετάλλων:

α) δεν υπάρχει επαφή. β) σε επαφή, αλλά δεν υπάρχει ισορροπία. γ) ισορροπία

Πράγματι, στο μέταλλο M2 υπάρχουν γεμάτα ενεργειακά επίπεδα που βρίσκονται πάνω από το επίπεδο Fermi E F1 του πρώτου μετάλλου. Τα ηλεκτρόνια από αυτά τα επίπεδα θα μετακινηθούν στα υποκείμενα ελεύθερα επίπεδα του μετάλλου M1, τα οποία βρίσκονται πάνω από το επίπεδο E F1. Ως αποτέλεσμα της διάχυσης, το μέταλλο 2 θα φορτιστεί θετικά και το μέταλλο 1 αρνητικά, και το επίπεδο Fermi του πρώτου μετάλλου αυξάνεται και αυτό του δεύτερου

κατεβαίνει. Έτσι, ένα ηλεκτρικό πεδίο προκύπτει στην περιοχή επαφής και,

ως εκ τούτου, καιδιαφορά δυναμικού εσωτερικής επαφής , που εμποδίζει την περαιτέρω κίνηση των ηλεκτρονίων. Σε μια ορισμένη τιμή της διαφοράς δυναμικού εσωτερικής επαφής U 12 θα δημιουργηθεί ισορροπία μεταξύ των μετάλλων και τα επίπεδα Fermi θα γίνουν ίσα. Αυτό θα συμβεί όταν οι ενέργειες είναι ίσες

E F 1 + e ϕ 1= E F 2 + e ϕ 2 .

Αυτό υποδηλώνει την έκφραση για τη διαφορά δυναμικού εσωτερικής επαφής

ϕ 1 − ϕ 2 = U 12		E F1 - E F2

Εάν και οι δύο συνδέσεις Α και Β των αγωγών βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία, τότε οι διαφορές δυναμικού επαφής είναι ίσες και έχουν αντίθετα πρόσημα, δηλαδή αλληλοεξουδετερώνονται.

Στην παραγωγή, θεωρήθηκε ότι τα μέταλλα βρίσκονται σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, το αποτέλεσμα θα παραμείνει αληθινό και σε άλλες θερμοκρασίες: χρειάζεται μόνο να έχουμε κατά νου ότι στο T≠0K το επίπεδο Fermi εξαρτάται όχι μόνο από τη συγκέντρωση ηλεκτρονίων, αλλά και από τη θερμοκρασία.

Με την προϋπόθεση ότι kT<<ЕF эта зависимость имеет следующий вид:

−π

≈ Ε

(0 )1

E F (0 )

Επομένως, εάν διατηρηθούν διαφορετικές θερμοκρασίες στους κόμβους Α και Β, τότε το άθροισμα των πιθανών αλμάτων στις διασταυρώσεις θα είναι μη μηδενικό και θα προκαλέσει την εμφάνιση ενός emf. Αυτό το EMF, λόγω διαφορών δυναμικού επαφής, σύμφωνα με την έκφραση P2 ισούται με:

ε k \u003d U 12 (T A ) + U 12 (T B ) \u003d 1 e ( [ E F 1 (T A ) - E F 2 (T A )] + [ E F 1 (T B ) - E F 2 (T B ) ] ) =

1 e ( [ E F 2 (T B) − E F 2 (T A) ] + [ E F1 (T B) − E F1 (T A) ] )

Η τελευταία έκφραση μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

	= ∫ V	1 dE F 2		dT − ∫ B	1 dE F 1		dT.
	Τ Α ε			Τ Α ε

Ο δεύτερος λόγος καθορίζει την ογκομετρική συνιστώσα δηλ. d.s., που σχετίζεται με μια ανομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας στον αγωγό. Εάν η διαβάθμιση θερμοκρασίας διατηρείται σταθερή, τότε μια σταθερή ροή θερμότητας θα ρέει μέσω του αγωγού. Σε ένα μέταλλο, η μεταφορά θερμότητας πραγματοποιείται κυρίως με την κίνηση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας. Υπάρχει μια ροή διάχυσης ηλεκτρονίων που κατευθύνεται ενάντια στη βαθμίδα θερμοκρασίας. Ως αποτέλεσμα, η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στο θερμό άκρο θα μειωθεί και στο ψυχρό άκρο

θα αυξηθεί. Μέσα στον αγωγό, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο Er T, που κατευθύνεται ενάντια στη βαθμίδα θερμοκρασίας, το οποίο εμποδίζει τον περαιτέρω διαχωρισμό των φορτίων (Εικ. P2)

Ρύζι. Π2 Η εμφάνιση τ.ε. δ.σ. σε ομοιογενές υλικό λόγω της χωρικής ανομοιογένειας της θερμοκρασίας.

Έτσι, στην κατάσταση ισορροπίας, η παρουσία μιας βαθμίδας θερμοκρασίας κατά μήκος του δείγματος δημιουργεί μια σταθερή διαφορά δυναμικού στα άκρα του. Αυτό είναι το συστατικό διάχυσης (ή ογκομετρικό) π.χ. δ.σ., το οποίο καθορίζεται από τη θερμοκρασία εξάρτησης της συγκέντρωσης των φορέων φορτίου και της κινητικότητάς τους. Το ηλεκτρικό πεδίο προκύπτει σε αυτή την περίπτωση στο μεγαλύτερο μέρος του μετάλλου και όχι στις ίδιες τις επαφές.

Η τρίτη πηγή του t. e. δ.σ. είναι το φαινόμενο οπισθέλκουσας των ηλεκτρονίων από τα φωνόνια. Παρουσία μιας διαβάθμισης θερμοκρασίας κατά μήκος του αγωγού, εμφανίζεται μια μετατόπιση φωνονίων (ενεργειακά κβάντα ελαστικών δονήσεων του πλέγματος), που κατευθύνεται από το θερμό άκρο στο ψυχρό. Σε σύγκρουση με ηλεκτρόνια, τα φωνόνια μεταδίδουν κατευθυνόμενη κίνηση σε αυτά, παρασύροντάς τα μαζί. Ως αποτέλεσμα, ένα αρνητικό φορτίο θα συσσωρευτεί κοντά στο ψυχρό άκρο του δείγματος (και θετικό φορτίο στο θερμό άκρο) έως ότου η προκύπτουσα διαφορά δυναμικού εξισορροπήσει το φαινόμενο οπισθέλκουσας. Αυτή η διαφορά δυναμικού είναι ένα πρόσθετο συστατικό της δηλ. δ.σ., η συμβολή του οποίου σε χαμηλές θερμοκρασίες γίνεται καθοριστική:

ε 1 ΑΒ	= ∫ V d ϕ =∫ V d ϕ dT = ∫ V			β 1 dT , (P5)
		A dT

όπου β 1 \u003d d dT ϕ - συντελεστής ογκομετρικού e. δ.σ. σε μέταλλο Μ1.

ε 2 ΑΒ	= −∫ d ϕ = − ∫ d ϕ dT = −∫ β 2 dT

όπου β 2 \u003d d dT ϕ - συντελεστής ογκομετρικού e. δ.σ. σε μέταλλο Μ2.

Το άθροισμα όλων αυτών των emfs σχηματίζει τη θερμοηλεκτρική δύναμη

εT = εκ + ε A 21 + ε B 12 . (P7)

Αντικαθιστώντας τις εκφράσεις (Α4), (Α5) και (Α6) με ισότητα (Α7), λαμβάνουμε

τηλεόραση			1 dE F 1						1 dE F 2
ε Т = ∫					dT − ∫						dT. (P8)
ΤΑ			e dT						e dT

Η τιμή α = β − 1 e dE dT F ονομάζεται συντελεστής δηλ. δ.σ. και είναι συνάρτηση

θερμοκρασία.

Οι απόλυτες τιμές όλων των θερμοηλεκτρικών συντελεστών αυξάνονται με τη μείωση της συγκέντρωσης του φορέα. Στα μέταλλα, οι συγκεντρώσεις των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πολύ υψηλές και όχι

εξαρτάται από τη θερμοκρασία. το αέριο ηλεκτρονίων βρίσκεται σε εκφυλισμένη κατάσταση και, επομένως, το επίπεδο Fermi, η ενέργεια και οι ταχύτητες ηλεκτρονίων εξαρτώνται επίσης ασθενώς από τη θερμοκρασία. Επομένως, οι συντελεστές θερμικής ισχύος των «κλασικών» μετάλλων είναι πολύ μικροί (της τάξης πολλών μV/K). Για ημιαγωγούς, το α μπορεί να υπερβαίνει τα 1000 µV/K.

Χρησιμοποιώντας τον συντελεστή α, αντιπροσωπεύουμε την παράσταση (Α8) με τη μορφή:

όπου το α 12 \u003d α 1 - α 2 - ονομάζεται διαφορικό ή ειδικό θερμοηλεκτρικό

αντοχή ενός δεδομένου ζεύγους μετάλλων.

Εάν η α 12 εξαρτάται ασθενώς από τη θερμοκρασία, τότε ο τύπος (Α9) μπορεί να αναπαρασταθεί περίπου ως:

ε = α 12 (T B − T A ) (P10)

ΔΙΑΤΑΞΗ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΕΡΓΑΣΙΩΝ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΓΙΑ ΑΥΔ. 317

1. Προετοιμάστε το ψηφιακό γενικό βολτόμετρο V7-23 για λειτουργία, για να το κάνετε αυτό, πατήστε το κουμπί "δίκτυο" στον μπροστινό πίνακα της συσκευής και μετά το κουμπί "auto". αυτόματη ρύθμιση του ορίου μέτρησης.

2. Συνδέστε ένα υποδειγματικό θερμοστοιχείο στο ψηφιακό βολτόμετρο B7-23. Για να το κάνετε αυτό, αλλάξτε το "P" του μπλοκ θερμοστοιχείου στη θέση "TP0".

3. Ρυθμίστε το ρεύμα φορτίου In = 0,6 A στην πηγή θέρμανσης του θερμοστοιχείου.

4. Όταν επιτευχθεί η θερμοκρασία του θερμαντήρα θερμοστοιχείου, στην οποία το EMF του θερμοστοιχείου αναφοράς φτάνει την τιμή ε 0 = 0,5 mV,

είναι απαραίτητο να συνδέσετε το εξεταζόμενο θερμοστοιχείο στην είσοδο του ψηφιακού βολτόμετρου V7-23 αντί του θερμοστοιχείου αναφοράς. Για να γίνει αυτό, ο διακόπτης "P" του μπλοκ θερμοστοιχείου θα πρέπει να μεταφερθεί γρήγορα στη θέση "TPn" και να εισαχθεί στον πίνακα των αποτελεσμάτων μέτρησης, η λαμβανόμενη τιμή του EMF του εξεταζόμενου θερμοστοιχείου ε n.

Τραπέζι 1

						t n \u003d ∆ t + t cf,
	ζεσταίνω	ε0 ,	εν ,		ταβ,
	Σε ένα

5. Αυξήστε το ρεύμα του θερμαντήρα στα 0,8A.

6. Χρησιμοποιήστε ξανά το διακόπτη "P" για να συνδέσετε ένα υποδειγματικό θερμοστοιχείο στο ψηφιακό βολτόμετρο V7-23.

και όταν το EMF του υποδειγματικού θερμοστοιχείου φτάσει την τιμή ε 0 = 1,00mV

διακόπτης "P" για εναλλαγή στη θέση που αντιστοιχεί στη μέτρηση του EMF του εξεταζόμενου θερμοστοιχείου. Η ληφθείσα τιμή του EMF του εξεταζόμενου θερμοστοιχείου ε n καταχωρείται επίσης στον Πίνακα 1 των αποτελεσμάτων μέτρησης.

7. Αυξήστε το ρεύμα του θερμαντήρα κατά 0,1A

και στην τιμή EMF του παραδειγματικού θερμοστοιχείου ε 0 = 1,50mV

διακόπτης "P" για μετάβαση στη θέση που αντιστοιχεί στη μέτρηση του EMF του εξεταζόμενου θερμοστοιχείου ε n εισαγάγετε στον πίνακα 1 των αποτελεσμάτων μέτρησης.

8. Με παρόμοιο τρόπο, αυξάνοντας το ρεύμα του θερμαντήρα σύμφωνα με τις συστάσεις του Πίνακα 1, μετρήστε το EMF του υπό μελέτη θερμοστοιχείου στις τιμές EMF του θερμοστοιχείου αναφοράς2,00mV; 2,50 mV; 3,00 mV; 3,50 mV; 4,00mV; 4,50 mV; 5,00mV; 5,50 mV; 6,00 mV;

6,50 mV; 7,00 mV.

9. Με βάση τα αποτελέσματα της μέτρησης του EMF του θερμοστοιχείου αναφοράς (βλ. Πίνακα 1), χρησιμοποιώντας τον πίνακα βαθμονόμησης των τιμών EMF του θερμοστοιχείου αναφοράς, προσδιορίστε τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των θερμαινόμενων και ψυχρών άκρων των θερμοστοιχείων Δt και γράψτε στον Πίνακα 1.

10. Προσδιορίστε τις πραγματικές τιμές των θερμοκρασιών του θερμαντήρα ως t n = ∆ t + t cf και

Σημειώστε τις λαμβανόμενες τιμές της θερμοκρασίας του θερμαντήρα στον πίνακα 1. Εδώ t cf είναι η θερμοκρασία του μέσου.

11. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα βαθμονόμησης και του πίνακα 1, σχεδιάστε σε γραφικό χαρτί την εξάρτηση του EMF του υποδειγματικού και διερευνημένου θερμοστοιχείου από τη διαφορά θερμοκρασίας των άκρων.

12. Χρησιμοποιώντας τα γραφήματα της εξάρτησης του EMF των υποδειγματικών και διερευνημένων θερμοζευγών από τη διαφορά θερμοκρασίας των άκρων κατά μήκος της κλίσης των λαμβανόμενων ευθειών, προσδιορίστε τις τιμές

συντελεστές τ.ε.α περίπου 12 δ.σ. υποδειγματικά και α n 12 διερευνημένα θερμοστοιχεία σύμφωνα με τον τύπο: α 12 = ∆ ε / ∆ t

13. Συντελεστής τε. δ.σ.α 12 - τιμή που εξαρτάται από τους συντελεστές τ.ε. δ.σ. ουσίες α 1 και α 2 , από τις οποίες κατασκευάζονται τα θερμοζεύγη, και ισούται με τη διαφορά τους α 12 = α 1 − α 2 .

14. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του Πίνακα 2 για τους συντελεστές α 1 και α 2 τ.ε. δ.σ. υλικά από τα οποία είναι κατασκευασμένο το θερμοστοιχείο chromel-copel που χρησιμοποιείται σε αυτήν την εργαστηριακή εργασία ως υποδειγματικό θερμοστοιχείο, υπολογίστε την τιμή του συντελεστή te. δ.σ. α περίπου 12 από αυτό

θερμοστοιχεία. Συγκρίνετε την λαμβανόμενη τιμή του συντελεστή δηλ. δ.σ. α περίπου 12 με την τιμή του συντελεστή δηλ. δ.σ. α o 12 που λαμβάνεται κατά την εκτέλεση του στοιχείου 13 της εργασίας.

15. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα στον Πίνακα 2, προσδιορίστε το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται το θερμοηλεκτρόδιο Α του υπό μελέτη θερμοστοιχείου, εάν είναι γνωστό ότι το θερμοηλεκτρόδιο Β του υπό μελέτη θερμοστοιχείου είναι κατασκευασμένο από αλουμέλα, για το οποίο α 2 \u003d - 17,3 μV / deg

Πίνακας 2. Συντελεστές ThermoEMF ορισμένων υλικών σε σχέση με τον μόλυβδο

				Συντελεστής
		Υλικό		thermoEMF,
		Sb (αντιμόνιο)
		Fe (σίδηρος)
		W (βολφράμιο)
		Au (χρυσός)
		Ag (ασήμι)
		Pb (μόλυβδος)
		Pt (πλατινένιο)
		Ni (νικέλιο)
		Bi (βισμούθιο)
		Κωνσταντάν
		μολυβδαίνιο)
		CuO (οξείδιο του χαλκού)		Ι) Ελέγξτε στο χώρο εργασίας τη σωστή συναρμολόγηση του διαγράμματος εγκατάστασης, σύμφωνα με το διάγραμμα καλωδίωσης (βλ. παρακάτω σχήμα) Ρύζι. Διάγραμμα καλωδίωσης: A - ποτενσιόμετρο, B - ηλεκτρικός φούρνος με θερμοστοιχεία, C - τροφοδοτικό φούρνου, TXA - θερμοστοιχείο chromel-alumel. ΙΙ) Πριν συνδέσετε το τροφοδοτικό στο δίκτυο (TES-88), είναι απαραίτητο να ρυθμίσετε τα κουμπιά ρύθμισης χονδροειδούς και λεπτού ρεύματος I στην άκρα δεξιά θέση, περιστρέφοντάς τα δεξιόστροφα μέχρι να σταματήσουν και τα κουμπιά ρύθμισης τάσης χονδροειδούς και λεπτού ρεύματος. U στην άκρα αριστερή θέση γυρίζοντάς τα αριστερόστροφα μέχρι να σταματήσουν. Στη συνέχεια, ενεργοποιήστε την παροχή ρεύματος στο δίκτυο. Με το χονδρό κουμπί ρύθμισης τάσης U, ρυθμίστε την τάση στα 4,0 V. Αφού θερμάνετε τον φούρνο για 5 λεπτά, μετρήστε το t.e. δ.σ. αισθητήρας θερμοκρασίας (θερμοστοιχεία TCA) κ.λπ. δ.σ. διερευνήθηκαν τα θερμοστοιχεία Νο. 1 και Νο. 2. Για να το κάνετε αυτό, προετοιμάστε τη συσκευή P4833 για λειτουργία: Η διαδικασία για την εργασία με τη συσκευή R4833 κατά τη μέτρηση EMF και τάσης: 1. Πριν ξεκινήσετε την εργασία, πρέπει να ελευθερώσετε όλα τα κουμπιά του ποτενσιόμετρου! 2. Πατήστε τα κουμπιά "G", "BP", "NE", "P". 3. Κάντε κλικ στο κουμπί 1". 4. Ρυθμίστε (έλεγχο) το ρεύμα λειτουργίας του πρώτου κυκλώματος του ποτενσιόμετρου. Για να το κάνετε αυτό, ρυθμίστε τη βελόνα του γαλβανόμετρου στο μηδέν περιστρέφοντας τα πόμολα ρεύματος λειτουργίας «1” (χοντρό) και “1” (ψιλά) πρώτα με πατημένο το κουμπί και μετά με πατημένο το κουμπί. 5. Κάντε κλικ στο κουμπί 2". 6. Ρυθμίστε (έλεγχο) το ρεύμα λειτουργίας του δεύτερου κυκλώματος του ποτενσιόμετρου. Για να το κάνετε αυτό, ρυθμίστε τη βελόνα του γαλβανόμετρου στο μηδέν περιστρέφοντας τα πόμολα ρεύματος λειτουργίας «2” (χοντρό) και “2” (ψιλά) πρώτα με πατημένο το κουμπί και μετά με πατημένο το κουμπί. 7. Συνδέστε το προς μέτρηση αντικείμενο στους σφιγκτήρες"-x", "mV", παρατηρώντας την πολικότητα. 8. Κάντε μια μέτρηση: Πατήστε το κουμπί "I". Επιτύχετε πλήρη αντιστάθμιση της μετρούμενης τάσης μηδενίζοντας τη βελόνα του γαλβανόμετρου γυρίζοντας τα κουμπιά των διακοπτών δεκαετίας «×10Ω (mV)», «×1Ω (mV)”, “×0,1Ω (mV)”, “×0,01Ω (mV)” πρώτα ενώ πατάτε το κουμπί και μετά ενώ πατάτε το κουμπί. Η τιμή της μετρούμενης τάσης σε mV θα είναι ίση με το άθροισμα των ενδείξεων των δεκαετιών. ΙΙΙ) Στο μέλλον, αυξάνοντας κάθε φορά την τάση κατά 1,0 V, μέχρι τιμή ίση με 8,0 V, μετρήστε διαδοχικά την τ.ε. δ.σ. ε THA , ε X 1 , ε X 2 όπως υποδεικνύεται στα σημεία 7 και 8. Καταγράψτε όλες τις τιμές στον πίνακα 1. Τραπέζι 1 ε X 1 , mV ε X 2 , mV ε ТХА , mV ∆t , deg C Χ 1, mV/deg C X 2, mV/deg ΙV) Χρησιμοποιώντας το γράφημα θερμοστοιχείου TCA (βλ. επόμενη σελίδα), βρείτε το Δt από την τιμή ε TCA. Καταγράψτε τα στοιχεία στον πίνακα Νο. 1. V) Γνωρίζοντας τις αξίες του τ.ε. δ.σ. ε X 1 και ε X 2 , και ∆t , στο ίδιο διάγραμμα πλέγματος συντεταγμένων ε X 1 και ε X 2 ως συνάρτηση του Δt . VΙ) Με τον τύπο C = ε / ∆t, υπολογίστε τις σταθερές του θερμοστοιχείου C X 1 και C X 2 και υπολογίστε τις μέσες τιμές τους. Συμπληρώστε τον πίνακα 1. Ρύζι. Γράφημα θερμοστοιχείου THA

Εκτός από τη θερμότητα που απελευθερώνεται σύμφωνα με Νόμος Joule-Lenz, στον όγκο του αγωγού, επιπλέον θερμότητα Thomson θα απελευθερωθεί ή θα απορροφηθεί, ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος.

Η εξήγηση της επίδρασης στην πρώτη προσέγγιση είναι η εξής. Υπό συνθήκες όπου υπάρχει μια κλίση θερμοκρασίας κατά μήκος του αγωγού μέσω του οποίου ρέει το ρεύμα και η κατεύθυνση του ρεύματος αντιστοιχεί στην κίνηση ηλεκτρόνιααπό το θερμό άκρο στο ψυχρό, όταν μετακινούνται από ένα θερμότερο τμήμα σε ένα ψυχρότερο, τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν περίσσεια ενέργειαπεριβάλλων άτομα(απελευθερώνεται θερμότητα), και στην αντίθετη κατεύθυνση του ρεύματος, περνώντας από μια ψυχρότερη περιοχή σε μια θερμότερη, αναπληρώνουν την ενέργειά τους σε βάρος των γύρω ατόμων (απορροφάται η θερμότητα).

ΣΕ ημιαγωγώνΕίναι σημαντικό η συγκέντρωση των φορέων σε αυτά να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Εάν ο ημιαγωγός θερμαίνεται άνισα, τότε η συγκέντρωση των φορέων φορτίου σε αυτόν θα είναι μεγαλύτερη όπου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη, επομένως βαθμίδαη θερμοκρασία οδηγεί σε κλίση συγκέντρωσης, με αποτέλεσμα διάχυσηροή φορέα φορτίου. Αυτό οδηγεί σε παραβίαση της ηλεκτρικής ουδετερότητας. Ο διαχωρισμός των χρεώσεων δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίοπου εμποδίζει τον χωρισμό. Έτσι, εάν ένας ημιαγωγός έχει μια κλίση θερμοκρασίας, τότε έχει ένα μαζικό ηλεκτρικό πεδίο E′ (\displaystyle E").

Ας υποθέσουμε τώρα ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα τέτοιο δείγμα υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου E (\displaystyle E). Αν το ρεύμα πάει ενάντια στο εσωτερικό πεδίο E′ (\displaystyle E"), τότε το εξωτερικό πεδίο πρέπει να κάνει πρόσθετη εργασία κατά τη μετακίνηση φορτίων σε σχέση με το πεδίο E′ (\displaystyle E"), που θα οδηγήσει στην απελευθέρωση θερμότητας, επιπλέον των απωλειών Lenz-Joule. Εάν το τρέχον (ή εξωτερικό πεδίο E (\displaystyle E)) κατευθύνεται κατά μήκος E′ (\displaystyle E"), Οτι E′ (\displaystyle E")κάνει τη δουλειά της μετακίνησης ταρίφαγια να δημιουργήσετε ρεύμα. Σε αυτή την περίπτωση, η εξωτερική πηγή ξοδεύει λιγότερη ενέργεια για να διατηρήσει το ρεύμα από ό,τι στην περίπτωση που το εσωτερικό πεδίο E′ (\displaystyle E")Οχι. Ερευνα πεδίου E′ (\displaystyle E")μπορεί να εκτελεστεί μόνο λόγω της θερμικής ενέργειας του ίδιου του αγωγού, επομένως ψύχεται. Το φαινόμενο της παραγωγής ή της απορρόφησης θερμότητας σε έναν αγωγό λόγω μιας βαθμίδας θερμοκρασίας κατά τη διέλευση του ρεύματος ονομάζεται φαινόμενο Thomson. Έτσι, η ουσία θερμαίνεται όταν τα χωράφια E (\displaystyle E)Και E′ (\displaystyle E")έχει αντίθετη κατεύθυνση και ψύχεται όταν συμπίπτουν οι κατευθύνσεις τους.

Στη γενική περίπτωση, η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται στον όγκο dV προσδιορίζεται από τη σχέση:

d Q T = − τ (∇ T ⋅ j) d t d V (\displaystyle dQ^(T)=-\tau (\nabla T\cdot \mathbf (j))dtdV), Οπου τ (\displaystyle \tau )- Συντελεστής Thomson.