Термопара (стр. 1 из 2)

Министерство образования Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

Кафедра прикладной физики

Лабораторная работа №1.

Термоэлектродвижущая сила.

Выполнил:

студент 2-го курса

группы ПВС-23

Чаланбинский Дмитрий

г.Саратов, 2000 г.

Цель работы

Изучение контактных явлений в металлах и термоэлектрических методов измерения температуры, снятие зависимости термоэлектродвижущей силы от разности температур холодного и горячего спаев, определение постоянной термопары и концентрации электронов.

Основные понятия

Экспериментально доказано, что в металлах, имеются свободные электроны, способные перемещаться по металлу. Такая система свободных электронов в кристаллической решётке называется электронным газом. Свободными электроны в металле можно считать лишь относительно. Вблизи границы металла на электроны действует электрическая сила, удерживающая их внутри металла. Чтобы преодолеть эту силу, электрон должен совершить определённую работу. Для удобства количественного описания процесса необходимо ввести понятие «потенциального ящика». Можно полагать, что электроны внутри металла определенную отрицательную энергию, которая возрастает и обращается в нуль на границе металла.

Электрон в металле имеет, таким образом, кинетическую

и потенциальную энергию . Полная энергия при отрицательна. Глубина «потенциального ящика» (т.е. величина ) определяется параметрами металла и свойствами поверхности, а кинетическая энергия - температурой и уровнем Ферми.

Для того чтобы вырвать электрон из металла, ему необходимо сообщить энергию (

), достаточную для преодоления потенциального барьера.

С увеличением температуры энергия электронов повышается. Однако, даже при температурах, близких к температуре плавления, глубина потенциального ящика остаётся практически неизменной, так что энергию, которую нужно сообщить электрону для вырывания его из металла, можно определить по той же формуле, что и при Т=0.

Рис. 1. «Потенциальный ящик» электронов внутри металла. Кинетическая энергия электронов отсчитывается от «дна» потенциального ящика.

Вследствие теплового движения электроны проводимости могут выходить из металла в окружающее пространство. В результате вылета электронов из металла вблизи поверхности проводника образуется двойной электрический слой толщиной в несколько межатомных расстояний. Металл оказывается заряженным положительно, а вылетающие электроны образуют отрицательно заряженное «облако». Между металлом и электронным облаком возникает разность потенциалов

. Для различных металлов колеблется от 1 до 10 В и зависит как от химической природы металла, так и от состояния его поверхности. Электрон, выходя из металла, совершает работу против сил притяжения со стороны положительно заряженного проводника и против сил отталкивания со стороны ранее вылетевших электронов. Эта работа совершается за счёт уменьшения кинетической энергии электронов и называется работой выхода электрона из данного металла. Работа выхода связана с разностью потенциалов

, (1)

где

- величина заряда электрона.

При соприкосновении двух проводников электроны вследствие теплового движения переходят из одного проводника в другой.

Если соприкасающиеся проводники различны или их температуры в разных точках неодинаковы, то оба потока диффузии электронов неодинаковы и один из проводников заряжается положительно, а другой отрицательно. Поэтому в пограничном слое между проводниками появляется электрическое поле, уравновешивающее разность диффузных потоков. Опыт показывает, что в контакте двух различных проводников наблюдаются тепловые явления при протекании электрического тока (в зависимости от направления тока происходит либо нагревание, либо охлаждение контакта). Это явление получило название явления Пелетье.

Наличие тепла Пелетье означает, что кинетическая энергия электронов при переходе из одного проводника в другой изменяется. Если она увеличивается, то спай нагревается, если же она уменьшается, то спай охлаждается. Это значит, что между обоими проводниками имеется некоторая разность потенциалов, которая не зависит от тока и существует даже в его отсутствии. Она получила название внутренней контактной разности потенциалов.

Возникновение внутренней контактной разности объясняется следующим образом. Рассмотрим два различных металла 1 и 2 (рис.2), находящихся при одной и той же температуре, и предположим, что мы привели их в соприкосновение. Электроны проводимости вследствие теплового движения будут переходить из проводника 1 в проводник 2 и обратно. Так как концентрация электронов в обоих металлах различна, то и диффузионные потоки электронов будут неодинаковыми.

Рис. 2. Контакт двух различных проводников и распределение потенциальной энергии электронов.

Положим, что концентрация электронов в металле 1 больше концентрации в металле 2. Тогда поток диффузии электронов из металла 1 будет больше потока диффузии в обратном направлении, и он будет заряжаться положительно, а металл 2 – отрицательно. В результате этого между металлами возникает разность потенциалов и появится электрическое поле, которое вызовет дополнительное движение электронов (переносное, или дрейфовое движение) в обратном направлении – от металла 2 к металлу 1, поэтому общее количество электронов, переходящих от 1 к 2, будет уменьшаться, а идущих в противоположенном направлении – увеличиваться. При некоторой внутренней контактной разности потенциалов U_внутр между металлами установится равновесие и потенциалы металлов не будут уже изменяться. Эта разность потенциалов и является внутренней контактной разностью потенциалов обоих металлов.

Отметим, что вследствие большой тепловой скорости электронов обмен электронами происходит весьма быстро и равновесие устанавливается уже в ничтожные доли секунды.

Согласно закону Ома плотность тока внутри металла равна

. Так как в равновесии j=0, то и электрическое поле в любой точке толще металлов рано нулю. Это значит, что электрическое поле существует только в тонком пограничном слое между обоими проводниками, на котором сосредоточена и вся контактная разность потенциалов.

Полученные результаты можно наглядно представить с помощью энергетической диаграммы. Будем откладывать по вертикальной оси потенциальную энергию электрона внутри металла, равную W=eU (e – заряд электрона, U– значение потенциала), а по горизонтальной оси – перемещение вдоль металла. Тогда получится распределение энергии, изображенное на рис. 2.

Так в отсутствии тока потенциал внутри металла одинаков, то энергия Wпостоянна в разных точках одного и того же металла. Однако ее значение в обоих металлах различно и меньше в металле 1, заряженном положительно, нежели в проводнике 2 (так как заряд электрона e<0). Разность энергий электрона в обоих проводниках равна eU_внутр.

Вычислим теперь величину внутренней контактной разности потенциалов.

В классической электронной теории задача о равновесии электронов в двух соприкасающихся проводниках не отличается от задачи о равновесии атомарного газа, находящегося в поле тяжести. Из молекулярной физики известно, что концентрация атомов газа n на высоте h связана с концентрацией n_о у поверхности земли формулой:

, где m – масса атома, g – ускорение поля тяжести, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, которая предполагается одинаковой во всем газе. Здесь mgh есть разность потенциальных энергий (W₁-W₂) атома газа на высоте h и у поверхности земли. В случае двух соприкасающихся металлов W₁-W₂=eU_внутр. и поэтому

,

где n₁ и n₂ – концентрации электронов в обоих металлах. Отсюда

(2)

Полученная формула показывает, что чем больше различие в концентрациях электронов и тем больше и внутренняя контактная разность.

Рис. 3. Возникновение внешней контактной разности потенциалов.