Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Если осуществить контакт между двумя разнородными металлами, то между ними появляется разность потенциалов, называемая «контактной разностью потенциалов». Контактная разность потенциалов возникает вследствие перехода свободных электронов из одного металла в другой, благодаря чему один из металлов (из которого ушли электроны) заряжается положительно, а другой (в который перешли электроны) отрицательно.
Явление перехода электронов из одного металла в другой обусловлено двумя причинами:
- различием в работах выхода электронов из контактирующих металлов;
- разной концентрацией в металлах свободных электронов.
Работой выхода электронов из металла () называется минимальная работа, которую необходимо совершить, чтобы электрон, преодолев силы электростатического притяжения, вышел из металла наружу. При контакте двух металлов электроны переходят из металла с меньше работой выхода в металл с большей работой выхода. Этот переход происходит до тех пор, пока не наступает равновесное состояние, характеризующееся одинаковым значением максимальной энергии электронов внутри металлов (энергии Ферми). Разность потенциалов, возникающая при этом, определяется выражением:
,
где - заряд электрона.
При контакте двух металлов с различными концентрациями свободных электронов вследствие диффузии возникает направленный поток электронов из металла с большей концентрацией в металл с меньшей концентрацией электронов. Процесс диффузии прекращается, когда металлы заряжаются до такой степени, что встречное электрическое поле полностью прекращает направленное движение электронов. Возникшая благодаря диффузии разность потенциалов равна:
,
где - постоянная Больцмана; - температура контакта по абсолютной шкале температур, и - концентрации свободных электронов в контактирующих металлах.
Проявляясь одновременно, обе причины приводят к возникновению суммарной контактной разности потенциалов:
|
, |
(1). |
При образовании замкнутой цепи из различных металлов (независимо от их числа) сумма контактных разностей потенциалов оказывается равной нулю и ток в цепи не возникает. Однако, если в замкнутой цепи температуры контактов различны, то в ней возникает ток, что свидетельствует о появлении электродвижущей силы, которую принято называть термоЭДС. Это явление было обнаружено Зеебеком в 1821 году. Изменение знака разности температур изменяет направление тока и термоЭДС.
Для случая двух металлов (рис.1), возникающая термоЭДС пропорциональна разности температур спаев:
|
(2). |
где постоянная называется коэффициентом термоЭДС :
|
, |
(3). |
Для металлов имеет значение порядка .
Выражение (2) получено на основании классических представлений об электропроводности металлов. Расчет, проведенный на основании квантовой теории электропроводности, дает нелинейную зависимость термоЭДС от температуры. Однако, в интервале температур, в пределах которого изменяется температура в настоящем лабораторном практикуме, зависимость (2) выполняется с большой степенью точности.
В явлении Зеебека тепловая энергия непосредственно превращается в электрическую, но для контактов двух металлов коэффициент полезного действия оказывается весьма малым (), поэтому, возникающая термоЭДС не используется в качестве источника тока. Для контактов двух различных полупроводников в сотни раз больше, чем для металлов, что делает возможным их применение в качестве источников тока.
Явление Зеебека нашло применение как способ измерения температуры. Устройство для измерения температуры, работающее на этом принципе, называется термопарой (рис. 2).
Две проволоки из разнородных металлов А и В сварены в точках 1 и 2, образуя два контакта (спая). В цепь включен милливольтметр для измерения возникающей термоЭДС. Один из спаев выбирается в качестве спая сравнения и поддерживается при постоянной температуре (холодный спай 1 на рис. 2). Другой спай (измерительный) приводится в соприкосновение с телом, температуру которого нужно измерить (горячий спай на рис. 2).
При соответствующем выборе пары проводников и измерительного прибора термопарой можно производить измерения в широком интервале температур с высокой точностью (до ).
К достоинствам термопар относятся их малая теплоемкость и малое время установления температурного равновесия, а также надежность и простота изготовления.
Перед тем как использовать любую термопару её необходимо градуировать.
Лабораторная работа 15
ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ МЕДЬ-КОНСТАНТАН ПО ТЕРМОМЕТРУ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕРМОЭДС ДЛЯ ДАННОЙ ПАРЫ МЕТАЛЛОВ.
Прежде чем приступить к выполнению работы, необходимо ознакомиться с введением по теме: «Контактная разность потенциалов. Термоэлектродвижущая сила».
Цель работы: определение коэффициента термоЭДС термопары медь-константан.
Описание экспериментальной установки.
В работе используется термопара (см. рис. 2 введения), изготовленная из двух проволок: медной (А) и константановой (В). В точках 1 и 2 разнородные металлы сварены. Термопара закреплена на штативе, позволяющем регулировать высоту расположения спаев. В качестве измерительного прибора для измерения ЭДС термопары используют милливольтметр с теневой стрелкой М-95 с пределом измерения 5 мВ, который необходимо тщательно установить на ноль перед началом работы.
«Холодный» спай термопары опускают в калориметр на 2/3 наполненный мелко колотым льдом и полностью залитым холодной водой. Нулевая температура в таком калориметре устанавливается примерно через 10-15 минут.
«Горячий» спай опускают в колбу с водой, куда помещают также термометр таким образом, чтобы его шарик находился радом со спаем термопары. Термометр имеет шкалу от до . Колбу помещают в электрический колбонагреватель.
Постановка экспериментальной задачи и порядок
выполнения работы.
В работе требуется проградуировать термопару, то есть определить коэффициент термоЭДС, считая, что зависимость термоЭДС от разности температур спаев линейная:
.
Температура «холодного» спая в течение всего опыта поддерживается равной , что соответствует температуре фазового равновесия воды и льда.
Температура «горячего спая измеряется термометром, находящимся в воде вместе со спаем термопары.
Следует иметь в виду, что такая градуировка не очень точна. Во-первых, в связи с тем, что термометр, используемый для определения температуры , имеет ограниченную точность. Во-вторых, все жидкостные термометры инерционны и, при постоянном росте температуры, показания термометра отстают от реальной температуры воды. Чтобы уменьшить возникающую ошибку необходимо нагрев воды производить медленно.
Колбу с водой нагревают от первоначальной температуры до кипения, причем через каждые 5 или 10 градусов производят измерения ЭДС термопары. По полученным экспериментальным данным следует построить график зависимости и, обработав данные по методу наименьших квадратов, определить коэффициент термоЭДС и его погрешность.
По формуле (3), используя полученное значение коэффициента , вычислить величину отношения концентраций свободных электронов в металлах, составляющих исследуемую термопару и оценить погрешность определения этой величины.
Содержание отчета.
Контрольные вопросы.
Ме EMBED Equation.DSMT4
Ме EMBED Equation.DSMT4
Т EMBED Equation.DSMT4 Т EMBED Equation.DSMT4
mV
А В В А
Холодный Горячий
спай спай
Рис. 2
Рис. 1