ESSZÉ

"Az információszerzés fizikai alapja"

"Thomson-effektus"

Elkészült:

Művészet. csoport E-71

Pitsenko K.S.

Ellenőrizve:

Assoc. kávézó EGAiMT

Voronin V.A.

Taganrog 2013

Bevezetés. 3

1. Thomson-effektus félvezetőkben. 5

2. A hatás alkalmazása. 12

Bevezetés

Thomson-effektus- az egyik termoelektromos jelenség, amely abban áll, hogy egy homogén, egyenetlenül fűtött egyenáramú vezetőben a Joule-Lenz törvény szerint felszabaduló hő mellett további Thomson-hő szabadul fel vagy nyelődik el a vezető, az áram irányától függően.

A Thomson hő mennyisége arányos az áramerősséggel, az idő és a hőmérséklet különbséggel, függ az áram irányától.

A hatást W. Thomson fedezte fel 1856-ban.

A hatás magyarázata az első közelítésben a következő. Olyan körülmények között, amikor a vezető mentén hőmérsékleti gradiens van, amelyen az áram folyik, és az áram iránya megfelel az elektronok mozgásának a meleg végről a hideg végre, amikor a melegebb szakaszról a hidegebbre haladunk, a az elektronok felesleges energiát adnak át a környező atomoknak (hő szabadul fel), és amikor az árammal ellentétes irányban, hidegebb területről melegebbre haladva, a környező atomok rovására pótolják energiájukat (a hő elnyelődik).

A félvezetőknél fontos, hogy a hordozók koncentrációja erősen függjön a hőmérséklettől. Ha a félvezetőt egyenetlenül melegítjük fel, akkor ott nagyobb lesz a töltéshordozók koncentrációja benne, ahol magasabb a hőmérséklet, így a hőmérsékleti gradiens koncentrációgradienshez vezet, ami a töltéshordozók diffúziós áramlását eredményezi. Ez az elektromos semlegesség megsértéséhez vezet. A töltések szétválasztása elektromos mezőt hoz létre, amely megakadályozza a szétválást. Így, ha egy félvezető hőmérsékleti gradienssel rendelkezik, akkor ömlesztett elektromos tere van.

Tegyük fel most, hogy egy ilyen mintán elektromos áram megy keresztül külső elektromos tér hatására. Ha az áram ellentétes a belső mezővel, akkor a külső mezőnek kell működnie extra munka amikor töltéseket mozgatnak a mezőhöz képest, ami a Lenz-Joule veszteségeken felül hőkibocsátáshoz vezet. Ha az áramot (vagy külső mezőt) végig irányítják, akkor maga végzi el a töltések mozgatását, hogy áramot hozzon létre. Ebben az esetben a külső forrás kevesebb energiát fordít az áram fenntartására, mint abban az esetben, ha nincs belső mező. A mező munkája csak magának a vezetőnek a hőenergiája miatt végezhető el, tehát hűtve van. Thomson-effektusnak nevezzük azt a jelenséget, amely a vezetőben az áram áthaladása során fellépő hőmérsékleti gradiens következtében fellép vagy hőelnyelődik. Így az anyag felmelegszik, ha a mezők és a mezők ellentétes irányúak, és lehűl, ha irányuk egybeesik.

Általános esetben a dV térfogatban felszabaduló hőmennyiséget a következő összefüggés határozza meg:

Hol van a Thomson-együttható.

Thomson-effektus a félvezetőkben

Hő térfogati felszabadulása vagy elnyelése félvezetőben elektromos áram és hőmérsékleti gradiens együttes hatására

Leírás

A Thomson-effektus a termoelektromos hatásokra vonatkozik, és a következőkből áll: amikor elektromos áramot vezetünk át egy félvezetőn (vagy vezetőn), amely mentén hőmérsékleti gradiens van, a Joule-hőn kívül további hő szabadul fel vagy nyel el. benne az áram irányától függően (Thomson-hő ).

A kezdetben homogén minta egyenetlen melegítése megváltoztatja a tulajdonságait, így az anyag inhomogénné válik. Ezért a Thomson-jelenség lényegében egy sajátos Peltier-jelenség, azzal a különbséggel, hogy az inhomogenitást nem a különbség okozza. kémiai összetétel minta, de nem ugyanaz a hőmérséklet.

A tapasztalat és az elméleti számítások azt mutatják, hogy a Thomson-jelenség a következő törvénynek engedelmeskedik:

,

ahol a Thomson-hő felszabadult (vagy elnyelt) egységnyi idő és térfogategység alatt a félvezető (fajlagos hőteljesítmény);

j az áramsűrűség;

Hőmérséklet gradiens a minta mentén;

t a Thomson-együttható, amely a félvezető természetétől és hőmérsékletétől függ.

A fenti képlet (a törvény ún. differenciálformája) alkalmazható az x minta egy olyan szakaszára, amely mentén az I áram folyik, és van egy bizonyos hőmérsékletkülönbség: (lásd 1. ábra)

Vegyes vezetőképességű félvezető

A Thomson-törvény integrál formában határozza meg a teljes felszabaduló (vagy elnyelt) Qt Thomson-hő mennyiségét a vizsgált félvezető teljes térfogatában (DV=SЧDx) a t idő alatt:

,

vagy végül:

Qt= tHDT HCH t.

Ebben az esetben a Thomson-effektus pozitívnak tekinthető, ha a hőmérsékleti gradiens (I dT/dx) irányában folyó elektromos áram hatására a félvezető felmelegszik (Qt>0), és negatívnak, ha azonos áramerősséggel hűl le. irány (Qt<0).

A Thomson-jelenség magyarázata egyfajta hordozóval (elektronokkal vagy lyukakkal) rendelkező félvezetők esetében hasonló a fémes vezetőkéhez. Először is figyelembe kell venni a töltéshordozók átlagos energiájának változását a minta mentén annak egyenetlen melegítése miatt. A félvezető melegebb részében az elektronok (vagy lyukak) átlagos energiája nagyobb, mint a kevésbé fűtött részében. Ezért, ha a félvezetőben az áram iránya megfelel az áramhordozók meleg végétől a hideg felé történő mozgásának, akkor a felesleges energiájukat átadják a kristályrácsnak, ami Thomson hő felszabadulását eredményezi (Qt>0 ).

Az áram ellentétes irányában a hideg végről a fűtött vég felé haladva a töltéshordozók a rácsnak köszönhetően pótolják energiájukat, azaz. a megfelelő mennyiségű hő elnyelődik (Qt<0).

A vegyes vezetőképességű félvezetőkben áram jelenlétében az elektronok és a lyukak egymás felé mozognak, és az általuk átadott hőáramok kompenzálódnak. Tehát az ábrán. 1, a lyukak a meleg végtől a hideg felé haladnak, ami elektronikus vezetés hiányában Thomson hő felszabadulásához vezet. Azonban az elektronok mozgásával (a hideg végtől a meleg végig) hőelnyelés társul. Ennek eredményeként, ha az elektronok és a lyukak koncentrációja és mobilitása egyenlő, Thomson-hő nem szabadul fel (Qt=0).

A második figyelembe veendő tényező a hőmérsékleti inhomogenitás körülményei között létrejövő hőerő elektromos térrel kapcsolatos (2., 3. ábra).

Thomson hő felszabadulása és elnyelése elektronikus félvezetőben

n-vezető

Thomson hő felszabadulása és elnyelése lyukfélvezetőben

p-vezető

Tekintsünk egy elektronikus vezetőképességű félvezetőt. Legyen Т1>Т2, azaz. a hőmérsékleti gradiens a 2. pontból az 1. pontba irányul (2. ábra). Az elektronok diffúziója a meleg végtől a hideg felé töltésleváláshoz vezet; a hőmérsékleti gradienssel szemben. Ha az áram a hőmérsékleti gradiens irányába folyik (az elektronok az ET tér irányába mozognak), akkor az ET tér lelassítja az elektronokat, és az 1-2 félvezető szakasz lehűl (Qt<0). Если ток течет в обратном направлении, то произойдет нагревание участка 1-2.

Egy lyukas félvezetőben az arányok inverzek (3. ábra). A jelenség úgy néz ki, mintha egy elektromos áram áthaladásával járó további hőáram rákerülne a hővezető képesség által okozott szokásos hőáramra. A lyukacsos félvezetőkben a járulékos hőáram az elektromos áram áramlásával megegyező irányban irányul. Az elektronikus félvezetőkben az áram és a hő iránya ellentétes.

A figyelembe vett tényezők ellentétes irányban hatnak, nemcsak a nagyságát, hanem a t és Qt előjelét is meghatározzák.

A Thomson-jelenség kvantitatív vizsgálatához egy kísérlet használható, melynek sémája a 2. ábrán látható. négy

Kísérleti séma a Thomson-effektus megfigyelésére

Két azonos AB és CD rudat veszünk a vizsgált anyagból (például egy p-típusú félvezetőből). Az A és C végek össze vannak kötve, és ugyanazon a hőmérsékleten tartják (pl. TA=TC=100°C). A B és D szabad végek hőmérséklete is egyenlő (például TB=TD=0°C). A kísérletben két a és b pontra mérjük a hőmérsékletkülönbséget, amelyeket úgy választunk meg, hogy áram hiányában a hőmérsékletük azonos legyen (Ta=Tb=T0). Amikor az egyik rúdban elektromos áramot vezetünk (az ábrán ez a CD rúd), további hőáramlás halad át balról jobbra (Qt> 0), a másik rúdban (AB) pedig jobbról balra ( 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.

A Thomson-effektus más termoelektromos jelenségekhez hasonlóan fenomenológiai jellegű.

A Thomson-együttható a P Peltier-együtthatóval és a hőerővel a Thomson-relációval van összefüggésben:

.

Két különböző anyagból álló lánchoz a következőket kínáljuk:

.

Ezeket az összefüggéseket figyelembe véve megkaphatjuk a t hőmérséklettől, hordozókoncentrációtól stb.

A Thomson-együttható méréséből egy anyag termoelektromos együtthatója határozható meg, nem pedig két anyag együtthatójának különbsége, mint az a és p közvetlen mérésénél. Ez lehetővé teszi t mérésével és abból a meghatározásával. az egyik fémben kapjuk meg az abszolút termoelektromos skálát.

A Thomson-effektusnak nincs technikai alkalmazása, de a termoelektromos eszközök pontos számításánál figyelembe kell venni.

A hatást 1854-ben William Thomson írta le és fedezte fel, aki kidolgozta a termoelektromosság termodinamikai elméletét.

Időzítés

Indítási idő (log -3-tól 2-ig);

Élettartam (log tc 13-15);

Lebomlási idő (log td -3-tól 2-ig);

Optimális fejlesztési idő (log tk -2-től 1-ig).

Diagram:

A hatás technikai megvalósításai

A Thomson-effektus megvalósítása félvezetőkben

A Thomson-effektus technikai megvalósításának leírása (a jelenség kvantitatív vizsgálatának tapasztalati vázlata) a „lényeg” részben található, lásd az ábrát. 4 és megjegyzések hozzá.

Hatás alkalmazása

A Thomson-effektusnak nincs technikai alkalmazása, de a termoelektromos eszközök viszonylag pontos számításainál figyelembe kell venni.

Például a termoelektromos generátorok hatékonyságának meghatározásakor a Thomson-hő figyelembevétele érdekében a termoelektromos együtthatót a hőelem mindkét végén lévő értékek átlagos értékeként számítják ki.

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

2. Sivukhin S.D. Általános fizika szak.- M.: Nauka, 1977.- V.3. Villany.- S.481-490.

3. Stilbans L.S. Félvezetők fizikája.- M., 1967.- S.75-83, 292-311.

4. Ioffe A.F. Félvezető hőelemek - M., 1960.

Az így kapott érintkezési potenciál különbség:

ϕ − ϕ		= −(A	− A ) / e +

Tekintsük azt az esetet, amikor három különböző vezető érintkezik azonos hőmérsékleten.

A nyitott áramkör végei közötti potenciálkülönbség egyenlő lesz az összes érintkező potenciálugrásának algebrai összegével:

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

ahonnan az (1) és (2) összefüggések felhasználásával kapjuk:

ϕ − ϕ		= −(A − A ) / e +

Mint látható, az érintkezési potenciál különbség nem függ a közbenső vezetőtől.

1. ábra Három különböző vezeték csatlakoztatása

Ha az 1. ábrán látható elektromos áramkört lezárjuk, akkor az alkalmazott e. d.s. ε egyenlő lesz az összes potenciális ugrás algebrai összegével, amely az áramkör megkerülésekor történik:

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

amiből az következik, hogy ε =0.

Így ha egy zárt elektromos áramkört több fémvezetőből alakítanak ki azonos hőmérsékleten, pl. d.s. az érintkezési potenciálkülönbség miatt nem keletkezik. Ahhoz, hogy áram keletkezzen, a vezetők csomópontjainak különböző hőmérsékletűeknek kell lenniük.

Érintkezési potenciálkülönbség nem csak két fém között lép fel, hanem két félvezető, egy fém és egy félvezető, két dielektrikum között is.

1.2 TERMOELEKTROMOS JELENSÉGEK

Ismeretes, hogy a fémből származó elektronok munkafunkciója a hőmérséklettől függ. Ezért az érintkezési potenciál különbség a hőmérséklettől is függ. Ha egy több fémből álló zárt kör érintkezőinek hőmérséklete nem azonos, akkor a teljes e. d.s. áramkör nem lesz egyenlő nullával, és az áramkörben elektromos áram keletkezik. A termoelektromos áram (Seebeck-effektus) és a kapcsolódó Peltier- és Thomson-effektusok a termoelektromos jelenségek közé tartoznak.

SEEBECK HATÁS

A Seebeck-effektus az elektromos áram fellépése egy zárt áramkörben, amely különböző, sorba kapcsolt vezetékekből áll, amelyek érintkezői különböző hőmérsékletűek. Ezt a hatást T. Seebeck német fizikus fedezte fel 1821-ben.

Tekintsünk egy zárt áramkört, amely két 1. és 2. vezetékből áll, TA (A érintkező) és TB (B érintkező) csatlakozási hőmérsékletekkel, a 2. ábrán látható módon.

A TA > TV-t tekintjük. Az ebben az áramkörben fellépő ε elektromotoros erő egyenlő a két érintkezőben fellépő potenciálugrások összegével:

ε = (ϕ 1 − ϕ 2 ) + (ϕ 2 − ϕ 1 ) .

A (3) relációt felhasználva a következőket kapjuk:

ε = (T		−T

Ezért zárt körben pl. d.s., melynek értéke egyenesen arányos az érintkezők hőmérséklet-különbségével. Ez a termoelektromotoros erő

(azaz d.s.).

Minőségi szempontból a Seebeck-effektus a következőképpen magyarázható. A termoelektromos energiát létrehozó külső erők kinetikai eredetűek. Mivel a fémben lévő elektronok szabadok, egyfajta gáznak tekinthetők. Ennek a gáznak a nyomásának a vezeték teljes hosszában azonosnak kell lennie. Ha a vezető különböző szakaszainak hőmérséklete eltérő, akkor a nyomás kiegyenlítéséhez az elektronkoncentráció újraelosztására van szükség. Ez áramtermeléshez vezet.

ábrán látható I áram iránya. A 2. ábra a TA >TB , n1 >n2 esetnek felel meg. Ha megváltoztatja az érintkezők hőmérséklet-különbségének előjelét, akkor az áram iránya az ellenkezőjére változik.

PELTIER HATÁS

A Peltier-effektus az a jelenség, hogy a Joule-hő mellett további hő szabadul fel vagy abszorbeál két különböző vezető érintkezését, attól függően, hogy az elektromos áram milyen irányban halad. A Peltier-effektus a Seebeck-effektus fordítottja. Ha a Joule-hő egyenesen arányos az áramerősség négyzetével, akkor a Peltier-hő egyenesen arányos az első hatvány áramerősségével, és megváltoztatja az előjelét, ha az áram iránya megváltozik.

Tekintsünk egy zárt áramkört, amely két különböző fémvezetőből áll, amelyeken az I΄ áram folyik (3. ábra). Az I΄ áram iránya essen egybe az 1. ábrán látható I áram irányával. 2 a TV>TA tokhoz. Lépjen kapcsolatba A-val, amely a Seebeck-effektusban több magas hőmérsékletű, most lehűl, és a B érintkező felmelegszik. A Peltier-hő értékét a következő összefüggés határozza meg:

Q \u003d P I / t,

ahol I΄ az áramerősség, t az áthaladásának ideje, P a Peltier-együttható, amely az érintkező anyagok természetétől és a hőmérséklettől függ.

Az A és B pontban lévő érintkezési potenciálkülönbségek miatt E r erősségű kontakt elektromos mezők keletkeznek. Az A érintkezőben ez a mező megegyezik az iránnyal

az elektronok mozgása, és B érintkezésben az elektronok az E r térrel szemben mozognak. Mivel az elektronok negatív töltésűek, a B érintkezőben felgyorsulnak, ami kinetikus energiájuk növekedéséhez vezet. Fémionokkal való ütközéskor ezek az elektronok energiát adnak át nekik. Ennek eredményeként a B pont belső energiája megnő, és az érintkező felmelegszik. NÁL NÉL

Az A pont éppen ellenkezőleg, az elektronok energiája csökken, mivel az E r tér lelassítja őket. Ennek megfelelően az A érintkező lehűl, mert. az elektronok a kristályrács helyein ionoktól kapnak energiát.

Thomson-effektus

A Thomson-effektus abban áll, hogy amikor az áram egyenetlenül fűtött vezetőn halad át, további hő szabadul fel vagy nyel el, hasonlóan a Peltier-effektushoz.

Mivel a vezető különböző szakaszai eltérően melegednek, fizikai állapotuk is különbözik. Az egyenetlenül melegített vezető úgy viselkedik, mint egy egymással érintkező, fizikailag eltérő szakaszok rendszere. A vezető melegebb részében az elektronok energiája nagyobb, mint a kevésbé fűtött részében. Ezért a mozgás során energiájuk egy részét fémionoknak adják át a kristályrács csomópontjain. Ennek eredményeként hő szabadul fel. Ha az elektronok magasabb hőmérsékletű tartományba kerülnek, akkor az ionok energiája miatt megnövelik az energiájukat, és a fém lehűl.

2. TERMOELEKTROMOS JELENSÉGEK GYAKORLATI ALKALMAZÁSAI

A Seebeck-effektust széles körben alkalmazzák a hőmérsékletmérő eszközökben és a hőenergiát elektromos energiává történő közvetlen átalakítására szolgáló eszközökben. A legegyszerűbb ilyen eszköz két különböző M1 és M2 fémvezetőből áll, amelyeket forrasztással vagy hegesztéssel sorba kapcsolnak. Az ilyen áramkört termoelektromos átalakítónak (hőelemnek) nevezik, a hőelemet alkotó vezetőket elektródáknak, a csatlakozási helyeket pedig csomópontoknak nevezzük. A 4. ábra tipikus hőelem áramköröket mutat be.

4. ábra. Tipikus hőelem áramkörök

A 4a. ábrán az 1 mérőeszközt a 2 összekötő vezetékek segítségével az egyik M1 termoelektróda réséhez csatlakoztatjuk. Ez egy tipikus hőelemes áramkör hőmérséklet-szabályozott érintkezővel, amikor az egyik csomópont hőmérsékletét állandó értéken tartják (általában az olvadó jég hőmérsékletén 273 K).

A 4b. ábrán a mérőeszköz az M1 és M2 termoelektródák végeihez van csatlakoztatva; A TA és TB a hőelem "meleg" és "hideg" érintkezőinek hőmérséklete. Ez egy tipikus áramkör egy nem termosztált "üresjárati" érintkezővel rendelkező hőelem bekapcsolására, amikor a TV hőmérséklete megegyezik a környezeti hőmérséklettel.

A hőelem ε hőteljesítménye kis hőmérsékleti tartományban arányos a csomópontok közötti hőmérséklet-különbséggel:

ε = α 12 (TA − T B ),

ahol αAB - te együttható d.s.(a különbségből adódó t.e.f.s. értéke

csomóponti hőmérséklet 1K-ban).

α 12 = dT d ε vagy α 12 = ∆ ∆ T ε .

Az α 12 hőteljesítmény együttható a te együtthatóitól függ. d.s. A termoelektródák α 1 és α 2 anyagai:

α 12 = α 1 − α 2 .

Együtthatói t.e. d.s. ólomra vonatkoztatva különféle anyagokat határoznak meg, amelyekre α Pb = 0. Te együtthatója d.s. lehet pozitív és

negatív érték, és általában a hőmérséklettől függ.

A te maximális értékének eléréséhez. d.s. a legmagasabb együtthatójú anyagokat kell választani, pl. d.s. ellentétes jel.

A csomópontok közötti hőmérséklet-különbség növekedésével, pl. d.s. nem változik egy lineáris törvény szerint, ezért a hőmérséklet hőelemes mérése előtt kalibrálni kell.

A hőelemekkel mért hőmérsékleti tartomány igen nagy: a folyékony hélium hőmérsékletétől több ezer fokig terjed. A mérések pontosságának növelése érdekében hőelem-csatlakozó áramkört használnak hőmérséklet-vezérelt érintkezővel (4a. ábra).

A hőerő nagyon érzékeny a kémiai szennyeződések jelenlétére a csomópontban. A hőelem működési csomópontjának külső kémiai hatásoktól való védelme érdekében vegyi védőburkolatba helyezhető.

A termoelektromos teljesítmény növelése érdekében a hőelemeket hőcsőben sorba kötik. Minden páros csomópont egy hőmérsékleten van fenntartva, a páratlan csomópontok pedig egy másikon. Egy ilyen akkumulátor termoelektromotoros ereje egyenlő t.e összegével. d.s. egyes elemei

5. ábra Thermopil

A két különböző anyag legvékonyabb csíkjaiból összeállított miniatűr termooszlopok a felhevült testek érzékelésére és az általuk kibocsátott elektromágneses sugárzás mérésére szolgálnak. Érzékeny galvanométerrel vagy elektronikus erősítőkészülékkel együtt képesek például több méteres távolságból érzékelni az emberi kéz hősugárzását. A hőcsövek nagy érzékenysége lehetővé teszi, hogy érzékelőként használják őket hőmérséklet-emelkedés riasztó készülékekhez.

A hőelemeket elektromos áramfejlesztőként is használják. Egyszerű kialakításúak és nem tartalmaznak mechanikus mozgó alkatrészeket. A fém hőelemek generátorként történő alkalmazása azonban nem hatékony, ezért félvezető anyagokat használnak a hőenergia elektromos energiává alakítására.

Mivel a Peltier-effektus a hőleadási és -elnyelési folyamatokhoz kapcsolódik, hűtőberendezésekben (hűtőszekrényekben) használják.

3. A HŐELEM KALIBRÁLÁSA

A kalibráláshoz olyan hőmérsékleti értékeket használnak, amelyek nagy pontossággal előre ismertek (például jég olvadásának hőmérséklete, forrásban lévő víz, tiszta fémek olvadása). A kalibrálás során a hőelem hideg csomópontját egy Dewar edényben olvadó jéggel termosztáljuk (azaz 00 C hőmérsékleten tartjuk), a második csomópontot pedig váltakozva merítjük ismert hőmérsékletű fürdőkbe. A kalibrálás eredményeit kalibrációs táblázat vagy függőségi grafikon formájában mutatjuk be, pl. d.s. hőmérséklettől.

FÜGGELÉK

A T.E.D.S. MEGJELENÉSÉNEK KVANTUMMAGYARÁZATA.

A termoelektromotoros erő megjelenésének három oka lehet:

1. a Fermi-szint hőmérsékletfüggése, ami egy érintkező komponens megjelenéséhez vezet, pl. d.s.;

2. töltéshordozók diffúziója a meleg végtől a hideg felé, ami meghatározza a t térfogatrészét. d.s.;

3. az elektronok fononok általi vonzásának folyamata, ami még egy komponenst ad

- fonon.

Tekintsük az első okot A vezetési elektronok maximális kinetikus energiája egy fémben 0K-on

Fermi energiának nevezik. A Fermi-szint abszolút nullánál és a vezetési elektronok koncentrációja a következő összefüggéssel függ össze:

	Ef(0) =		(3 π 2 n ) 2/3
		8 π 2 m

ahol h Planck-állandó, m az elektron tömege, n a vezetési elektronok koncentrációja.

A különböző fémekben a vezetési elektronok koncentrációja nem azonos, így az EF1 és EF2 Fermi-szintek is eltérőek lesznek. Legyen az n2 koncentráció az M2 fémben nagyobb, mint az n1 koncentráció az M1 fémben. Tekintsük két egymástól kis távolságra elhelyezkedő M1 és M2 vezető energiadiagramját (P1a ábra). Legyen W0 egy szabad elektron energiája nyugalomban vákuumban, ahol a potenciális energiája egyenlő nullával. Ekkor ehhez a szinthez viszonyítva a fémben lévő vezetési elektron potenciális energiáját a belső potenciálenergiája eφ és eredményes munka Az A kimenet, és a kinetikus energia a hőmérséklettől és a Fermi-szinttől függ. Egy fémben lévő elektron teljes energiáját EF + eφ-vel jelöljük

Ha az M1 és M2 fémeket érintkezésbe hozzuk (P1 b, c ábra), megindul az elektronok diffúziója, amely során az elektronok a 2-es fémből az 1-es fémbe kerülnek, mivel n1

Rizs. P1. Két fém energiadiagramja:

a) nincs kapcsolat; b) érintkezik, de nincs egyensúly; c) egyensúly

Valójában az M2 fémben vannak feltöltött energiaszintek, amelyek az első fém E F1 Fermi-szintje felett helyezkednek el. Az ezekről a szintekről származó elektronok az M1 fém mögöttes szabad szintjeire mozognak, amelyek az E F1 szint felett helyezkednek el. A diffúzió hatására a 2-es fém pozitívan, az 1-es pedig negatívan töltődik, és az első fém Fermi-szintje emelkedik, a másodiké

lemegy. Így az érintkezési területen elektromos mező keletkezik, és

ezért, és belső érintkezési potenciál különbség , ami megakadályozza az elektronok további mozgását. A belső érintkezési potenciálkülönbség bizonyos értékénél U 12 egyensúly jön létre a fémek között, és a Fermi-szintek egyenlővé válnak. Ez akkor fog megtörténni, ha az energiák egyenlőek

E F 1 + e ϕ 1= E F 2 + e ϕ 2.

Ez magában foglalja a belső érintkezési potenciál különbség kifejezését

ϕ 1 − ϕ 2 = U 12		E F1 - E F2

Ha a vezetők mindkét A és B csomópontja azonos hőmérsékletű, akkor az érintkezési potenciálkülönbségek egyenlőek és ellentétes előjelűek, azaz kioltják egymást.

A levezetésben azt feltételezték, hogy a fémek alacsony hőmérsékletűek. Az eredmény azonban más hőmérsékleten is igaz marad: csak azt kell szem előtt tartani, hogy T≠0K-nál a Fermi-szint nemcsak az elektronkoncentrációtól, hanem a hőmérséklettől is függ.

Feltéve, hogy kT<<ЕF эта зависимость имеет следующий вид:

−π

≈ E

(0 )1

E F (0 )

Ezért, ha az A és B csomópontnál eltérő hőmérsékletet tartanak fenn, akkor a csomópontokban a potenciális ugrások összege nem lesz nulla, és emf jelenik meg. Ez az EMF az érintkezési potenciál különbségek miatt a P2 kifejezés szerint egyenlő:

ε k \u003d U 12 (TA ) + 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 (TA) ] + [ E F1 (T B) − E F1 (TA) ] )

Az utolsó kifejezés a következőképpen ábrázolható:

	= ∫ V	1 dE F 2		dT − ∫ B	1 dE F 1		dT.
	T A e			T A e

A második ok határozza meg a térfogati komponenst, azaz. d.s., amely a vezetőben nem egyenletes hőmérséklet-eloszlással jár. Ha a hőmérsékleti gradienst állandó értéken tartják, akkor állandó hőáram fog átfolyni a vezetőn. Egy fémben a hőátadást főként a vezetési elektronok mozgása végzi. Az elektronok diffúziós áramlása a hőmérsékleti gradiens ellen irányul. Ennek eredményeként az elektronok koncentrációja a meleg végén, a hideg végén csökken

növekedni fog. A vezető belsejében E r T elektromos tér keletkezik, amely a hőmérsékleti gradiens ellen irányul, ami megakadályozza a töltések további szétválását (P2. ábra)

Rizs. P2 A t.e. megjelenése. d.s. homogén anyagban a hőmérséklet térbeli inhomogenitása miatt.

Így egyensúlyi állapotban a hőmérsékleti gradiens jelenléte a minta mentén állandó potenciálkülönbséget hoz létre a végein. Ez a diffúziós (vagy térfogati) komponens, azaz. d.s., amelyet a töltéshordozók koncentrációjának és mobilitásuk hőmérsékletfüggése határoz meg. Az elektromos mező ebben az esetben a fém nagy részében keletkezik, nem pedig magukon az érintkezőkön.

A harmadik forrás a t. e. d.s. az elektronok fononok általi vontatási hatása. A vezető mentén lévő hőmérsékleti gradiens jelenlétében fononok (a rács rugalmas rezgésének energiakvantumjai) sodródása következik be, amely a meleg végtől a hideg felé irányul. Az elektronokkal ütközve a fononok irányított mozgást kölcsönöznek nekik, magával rántva őket. Ennek eredményeként negatív töltés halmozódik fel a minta hideg végén (és pozitív töltés a meleg végén), amíg a keletkező potenciálkülönbség kiegyenlíti a légellenállási hatást. Ez a potenciálkülönbség további összetevője az i.e. d.s., amelynek hozzájárulása alacsony hőmérsékleten meghatározóvá válik:

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

ahol β 1 \u003d d dT ϕ - térfogati együttható e. d.s. fémben M1.

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

ahol β 2 \u003d d dT ϕ - térfogati együttható e. d.s. fémben M2.

Mindezen emf-ek összege alkotja a termoelektromotoros erőt

εT = εk + ε A 21 + ε B 12 . (P7)

Ha az (A4), (A5) és (A6) kifejezéseket behelyettesítjük az (A7) egyenlőségbe, azt kapjuk

tévé			1 dE F 1						1 dE F 2
ε Т = ∫					dT − ∫						dT. (P8)
TA			e dT						e dT

Az α = β − 1 e dE dT F értéket együtthatónak nevezzük, i.e. d.s. és egy függvény

hőfok.

Az összes termoelektromos együttható abszolút értéke a hordozókoncentráció csökkenésével nő. A fémekben a szabad elektronok koncentrációja nagyon magas, és nem

hőmérsékletfüggő; Az elektrongáz degenerált állapotban van, ezért a Fermi-szint, az energia és az elektronsebesség is gyengén függ a hőmérséklettől. Ezért a „klasszikus” fémek hőteljesítmény-együtthatói nagyon kicsik (több μV/K nagyságrendűek). Félvezetők esetében az α meghaladhatja az 1000 µV/K értéket.

Az α együttható segítségével az (A8) kifejezést a következő formában ábrázoljuk:

ahol α 12 \u003d α 1 - α 2 - differenciális vagy specifikus termoelektromotornak nevezzük

adott fémpár szilárdsága.

Ha α 12 gyengén függ a hőmérséklettől, akkor az (A9) képlet megközelítőleg a következőképpen ábrázolható:

ε = α 12 (TB − TA ) (P10)

A MUNKÁK VÉGREHAJTÁSÁNAK RENDJE ÉS A MÉRÉSI EREDMÉNYEK FELDOLGOZÁSÁNAK AZ AUD. 317

1. Készítse elő a V7-23 digitális univerzális voltmérőt a működésre, ehhez nyomja meg a készülék előlapján található "hálózat" gombot, majd az "auto" gombot. a mérési határ automatikus beállítása.

2. Csatlakoztasson egy példaértékű hőelemet a B7-23 digitális voltmérőhöz. Ehhez kapcsolja a hőelem blokk "P"-jét "TP0" állásba.

3. Állítsa be az In = 0,6 A terhelési áramot a hőelemes fűtőelemen.

4. Amikor a hőelemes fűtőelem elérte azt a hőmérsékletet, amelynél a referencia hőelem EMF-je eléri az ε 0 = 0,5 mV értéket,

a vizsgált hőelemet a referencia hőelem helyett a V7-23 digitális voltmérő bemenetére kell kötni. Ehhez a hőelem blokk "P" kapcsolóját gyorsan "TPn" állásba kell vinni és be kell írni a mérési eredmények táblázatába, a vizsgált hőelem EMF-értékét ε n.

Asztal 1

						t n \u003d ∆ t + t cf,
	felmelegít	ε0 ,	εн ,		tav ,
	-ban, A

5. Növelje a fűtőáramot 0,8 A-re.

6. Ismét a "P" kapcsolóval csatlakoztasson egy példaértékű hőelemet a V7-23 digitális voltmérőhöz.

és amikor a példakénti hőelem EMF-je eléri az ε 0 = 1,00 mV értéket

A "P" kapcsolót a vizsgált hőelem EMF-értékének megfelelő pozícióba kapcsolja. A vizsgált ε n hőelem EMF kapott értékét a mérési eredmények 1. táblázatába is beírjuk.

7. Növelje a fűtőáramot 0,1 A-rel

és a példakénti hőelem EMF értékénél ε 0 = 1,50 mV

a "P" kapcsolót a vizsgált hőelem EMF mérésének megfelelő ε n állásba kapcsolja be a mérési eredmények 1. táblázatába.

8. Hasonló módon, növelve a fűtőáramot az 1. táblázat ajánlásai szerint, mérje meg a vizsgált hőelem EMF-jét a referencia hőelem EMF-értékein2,00 mV; 2,50 mV; 3,00 mV; 3,50 mV; 4,00 mV; 4,50 mV; 5,00 mV; 5,50 mV; 6,00 mV;

6,50 mV; 7,00 mV.

9. A referencia hőelem EMF mérési eredményei alapján (lásd 1. táblázat) a referencia hőelem EMF-értékeinek kalibrációs táblázatát használva határozza meg a hőmérséklet különbséget a hőelemek fűtött és hideg végei között ∆t és írja be. le az 1. táblázatban.

10. Határozza meg a fűtőelem hőmérsékletének tényleges értékeit t n = ∆ t + t cf és

írja le a kapott fűtőelem hőmérséklet értékeit az 1. táblázatba. Itt t cf a közeg hőmérséklete.

11. A kalibrációs táblázat és az 1. táblázat adatainak felhasználásával ábrázolja milliméterpapíron a példakénti és vizsgált hőelem EMF-jének függését a végek hőmérséklet-különbségétől!

12. A példakénti és vizsgált hőelemek EMF-jének a végek hőmérséklet-különbségétől való függésének grafikonjai segítségével határozza meg az értékeket a kapott egyenesek lejtése mentén.

együtthatók t.e.α körülbelül 12 d.s. példaszerű és α n 12 vizsgált hőelemek a következő képlet szerint: α 12 = ∆ ε / ∆ t

13. Te együtthatója. d.s.α 12 - olyan érték, amely a t.e. együtthatóitól függ. d.s. α 1 és α 2 anyagok, amelyekből hőelemek készülnek, és egyenlő a különbségükkel α 12 = α 1 − α 2 .

14. A 2. táblázat adatait felhasználva az α 1 és α 2 együtthatók t.e. d.s. anyagok, amelyekből a jelen laboratóriumi munkában példaértékű hőelemként használt chromel-copel hőelem készül, számítsa ki a te együttható értékét. d.s. α ebből körülbelül 12

hőelemek. Hasonlítsa össze az együttható kapott értékét, pl. d.s. α körülbelül 12 az együttható értékével, azaz. d.s. α o 12 a feladat 13. pontjának végrehajtása során.

15. A 2. táblázat adatainak felhasználásával határozza meg az anyagot, amelyből a vizsgált hőelem A termoelektródája készült, ha ismert, hogy a vizsgált hőelem B termoelektródája alumelből készült, amelyre α 2 \u003d - 17,3 μV / fok

2. táblázat: Egyes anyagok ThermoEMF együtthatói az ólomhoz viszonyítva

				Együttható
		Anyag		thermoEMF,
		Sb (antimon)
		Fe (vas)
		W (volfrám)
		Au (arany)
		Ag (ezüst)
		Pb (ólom)
		Pt (platina)
		Ni (nikkel)
		Bi (bizmut)
		Constantan
		molibdén)
		CuO (réz-oxid)		Ι) A munkahelyen ellenőrizze a szerelési rajz helyes összeszerelését a kapcsolási rajz szerint (lásd az alábbi ábrát) Rizs. Bekötési rajz: A - potenciométer, B - elektromos kemence hőelemekkel, C - kemence tápegysége, TXA - króm-alumel hőelem. ΙΙ) Mielőtt a tápegységet a hálózatra csatlakoztatná (TES-88), az I durva és finom árambeállító gombokat a jobb szélső helyzetbe kell állítani, az óramutató járásával megegyező irányba forgatva ütközésig, valamint a durva és finom feszültségbeállító gombokat. U a bal szélső helyzetbe úgy, hogy az óramutató járásával ellentétes irányba forgatja őket ütközésig. Ezután kapcsolja be a hálózat tápellátását. A durva U feszültségszabályozó gombbal állítsa a feszültséget 4,0 V-ra. A kemence 5 perces melegítése után mérje meg a t.e. d.s. hőmérséklet érzékelő (TCA hőelemek) stb. d.s. vizsgálta az 1. és 2. számú hőelemeket. Ehhez készítse elő a P4833 készüléket működésre: Az R4833 eszközzel való munkavégzés eljárása az EMF és a feszültség mérésekor: 1. A munka megkezdése előtt a potenciométer összes gombját el kell engedni! 2. Nyomja meg a "G", "BP", "NE", "P" gombokat. 3. Kattintson a gombra egy". 4. Állítsa be (szabályozza) a potenciométer első körének üzemi áramát. Ehhez állítsa nullára a galvanométer tűjét az "1" üzemi áram gombjainak elforgatásával” (durva) és „1” (finom) először a gomb megnyomásával, majd a gomb megnyomásával. 5. Kattintson a gombra 2" 6. Állítsa be (szabályozza) a potenciométer második körének üzemi áramát. Ehhez állítsa nullára a galvanométer tűjét az üzemi áram "2" gombjainak elforgatásával” (durva) és „2” (finom) először a gomb megnyomásával, majd a gomb megnyomásával. 7. Csatlakoztassa a mérendő tárgyat a bilincsekhez"-x", "mV", figyelve a polaritást. 8. Végezzen mérést: Nyomja meg az "I" gombot. A mért feszültség teljes kompenzációja a galvanométer mutatójának nullára állításával érhető el a „×10Ω (mV)”, „×1Ω” dekádkapcsoló gombjainak elforgatásával. (mV)”, „×0,1Ω (mV)”, „×0,01Ω (mV)” először a gomb lenyomása közben, majd a gomb lenyomása közben. A mért feszültség mV-ban egyenlő lesz az évtizedek leolvasásainak összegével. ΙΙΙ) A jövőben minden alkalommal 1,0 V-tal növelve a feszültséget 8,0 V értékig, egymás után mérje meg a t.e. d.s. ε THA , ε X 1 , ε X 2 a 7. és 8. pont szerint. Jegyezze fel az összes értéket az 1. táblázatba. Asztal 1 ε X 1, mV ε X 2, mV ε ТХА , mV ∆t , fok C X 1, mV/deg CX2, mV/deg ΙV) A TCA hőelem grafikon segítségével (lásd a következő oldalt) keresse meg ∆t az ε TCA értékből. Az adatokat rögzítse az 1. számú táblázatban. V) Ismerve a t.e. d.s. ε X 1 és ε X 2, és ∆t ugyanazon a koordináta rácson ábrázolja ε X 1 és ε X 2 ∆t függvényében. VΙ) A C = ε / ∆t képlet segítségével számítsa ki a C X 1 és C X 2 hőelemállandókat, és számítsa ki átlagértékeiket! Töltse ki az 1. táblázatot. Rizs. THA hőelem grafikon

A szerint felszabaduló hő mellett Joule-Lenz törvény, a vezető térfogatában további Thomson hő szabadul fel vagy nyel el, az áram irányától függően.

A hatás magyarázata az első közelítésben a következő. Olyan körülmények között, amikor hőmérsékleti gradiens van a vezető mentén, amelyen keresztül az áram folyik, és az áram iránya megfelel a mozgásnak elektronok a meleg végétől a hideg felé, amikor egy melegebb szakaszról a hidegebbre haladunk, az elektronok a felesleget továbbítják energia környező atomok(hő szabadul fel), és az árammal ellentétes irányban, hidegebb területről melegebbre haladva a környező atomok rovására pótolják energiájukat (hő elnyelődik).

NÁL NÉL félvezetők fontos, hogy a hordozóanyagok koncentrációja erősen függjön a hőmérséklettől. Ha a félvezetőt egyenetlenül melegítjük, akkor ott nagyobb lesz a töltéshordozók koncentrációja, ahol magasabb a hőmérséklet, ezért gradiens hőmérséklet koncentráció-gradienshez vezet, ami azt eredményezi diffúzió töltéshordozó áramlás. Ez az elektromos semlegesség megsértéséhez vezet. A díjak elkülönítése generál elektromos mező ami megakadályozza a szétválást. Így, ha egy félvezető hőmérsékleti gradienssel rendelkezik, akkor ömlesztett elektromos tere van E' (\displaystyle E").

Tegyük fel most, hogy egy ilyen mintán elektromos áram megy keresztül külső elektromos tér hatására E (\displaystyle E). Ha az áram ellentétes a belső mezővel E' (\displaystyle E"), akkor a külső mezőnek további munkát kell végeznie a töltések mezőhöz viszonyított mozgatásakor E' (\displaystyle E"), ami a Lenz-Joule veszteségek mellett hőkibocsátáshoz vezet. Ha az aktuális (vagy külső mező E (\displaystyle E)) mentén van irányítva E' (\displaystyle E"), akkor E' (\displaystyle E") végzi a költözés munkáját díjakáramot létrehozni. Ebben az esetben a külső forrás kevesebb energiát fordít az áram fenntartására, mint abban az esetben, amikor a belső mező E' (\displaystyle E") nem. Terepmunka E' (\displaystyle E") csak magának a vezetőnek a hőenergiája miatt hajtható végre, tehát hűtve van. Thomson-effektusnak nevezzük azt a jelenséget, amely a vezetőben az áram áthaladása során fellépő hőmérsékleti gradiens következtében fellép vagy hőelnyelődik. Így az anyag felmelegszik, amikor a mezőket E (\displaystyle E)és E' (\displaystyle E") ellentétes irányú, és lehűl, ha irányuk egybeesik.

Általános esetben a dV térfogatban felszabaduló hőmennyiséget a következő összefüggés határozza meg:

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