WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 |

«УТВЕРЖДАЮ Декан ЕНМФ Ю.И. Тюрин 2008 г. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Методические указания к выполнению лабораторной работы Э–14а по курсу общей физики для студентов всех ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ

Декан ЕНМФ

Ю.И. Тюрин

2008 г.

« »

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Методические указания к выполнению лабораторной работы Э–14а по курсу общей физики для студентов всех специальностей Томск 2008 УДК 53.076 Термоэлектрический эффект: Методические указания к выполнению лабораторной работы Э–14а по курсу общей физики для студентов всех специальностей. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 15 с.

Составители: доц., канд. физ.-мат. наук К.Б.Коротченко, Рецензент: доц., канд. физ.-мат. наук Н.С. Кравченко Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры теоретической и экспериментальной физики 20.05.2007 г.

Зав. кафедрой проф., д. ф.-м. наук В.Ф. Пичугин Одобрено учебно-методической комиссией кафедры ЕНМФ.

Председатель учебно-методической комиссии Г.Ф. Ерофеева ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Э-14а

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Цель работы: знакомство с эффектами прямого и обратного термоэлектрического эффекта.

Работа содержит два самостоятельных упражнения:

1. Изучение прямого термоэлектрического эффекта – эффекта Зеебека – возникновение термоэдс в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

2. Изучение обратного термоэлектрического эффекта – эффекта Пельтье – выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников.

Приборы и принадлежности:

• 2 (два) милливольтметра для измерения термоэдс (в мВ) • 2 (два) милливольтметра для измерения температуры (в oC) • 2 (две) термопары «хромель – алюмель»

• 2 (две) термопары «хромель – копель»

• таблица зависимости ЭДС от разности температур «холодного» и «горячего» спаев для эталонных термопар «хромель - алюмель»

• термостат для термопар • печь для нагревания термопар • модуль Пельтье, состоящий из 127 полупроводниковых термоэлементов • источник питания для модуля Пельтье.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Эффект Зеебека Эффект был обнаружен немецким физиком Томасом Зеебеком (Thomas Johann Seebeck) в 1821.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников (или полупроводников) А и B, возникает термоэдс, если места контактов поддерживают при разных температурах.

Величина возникающей термоэдс зависит только от внутренних свойств проводников (полупроводников) и температур их горячего T1 и холодного T2 спаев. Рис. Система из двух различных проводников (полупроводников) А и B, спаянных в точках T1 и T2, называется термоэлементом или термопарой.

В небольшом интервале температур термоэдс можно считать пропорциональной разности температур где AB – термоэлектрическая способность термопары (или коэффициент термоэдс).

В общем случае термоэлектрическая способность термопары меняется с температурой. Соответственно, более корректное выражение для термоэдс имеет вид Возникновение эффекта Зеебека происходит за счет явлений, возникающих в узкой приконтактной области разнородных проводников (полупроводников), и вызвано несколькими составляющими:

1. Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах.

Если вдоль каждого проводника термопары существует градиент температур, то электроны на горячих концах приобретают более высокие энергии (и, соответственно, скорости), чем на холодных (в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой).

В результате, в каждом проводнике (полупроводнике), возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце появляется отрицательный потенциал, а на горячем – положительный.

Процесс происходит в каждом из проводников (полупроводников) термопары и продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов U (на концах каждого из проводников или полупроводников) не вызовет поток электронов, равный первичному в обратном направлении (благодаря чему установится равновесие).

Разность потенциалов создает внутри проводника непотенциальное электрическое поле с напряженностью Е = – U/x, локализованное в тонком приконтактном слое толщиной x.

По определению, электродвижущая сила на участке проводника L равна работе сил непотенциального электрического поля по перемещению заряда по этому проводнику Термоэдс, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

2. Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов в различных веществах.

Как известно из школьного курса физики, при контакте двух металлов (или полупроводников) возникает контактная разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих твердых тел. При создании контакта уровни Ферми становятся одинаковыми, и возникает разность потенциалов, равная где F – энергия Ферми (напомним, что энергия Ферми – энергия самого высшего заполненного состояния электронов в кристалле), e – заряд электрона.



В контакте тем самым существует электрическое поле с напряженностью приконтактном слое толщиной x. Это значит, что если составить замкнутую цепь из двух металлов (имеющих одинаковую температуру) и совершить обход по замкнутому контуру L, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом – против поля.

При одинаковой температуре контактирующих металлов разность потенциалов внутри проводников одинакова и, следовательно, результирующая работа сил электрического поля (и, соответственно, ЭДС) будет равна нулю Если температуру одного из контактов изменить, то, поскольку энергия Ферми F зависит от температуры, контактная разность потенциалов U также изменится и, следовательно, работа сил электрического поля Е будет отлична от нуля. То есть, появится ЭДС в замкнутой цепи. Данная ЭДС называется контактной термоэдс.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

3. Фононное увлечение Твердые тела, в которых могут возникать термоэлектрические явления, имеют кристаллическую структуру. Узлы кристаллической решетки, являются реальными физическими объектами, которые хотя и ограничены в движении, но непрерывно совершают колебательные движения (в основном это тепловые колебания). Колебательные движения решетки, с точки зрения квантовой механики, можно моделировать некоторыми частицами, подобными квантам света, но движущимися со скоростью звука. Эти частицы называют фононами.

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой электроны и на холодном конце образца будет возникать отрицательный потенциал (на горячем – положительный). Процесс будет идти до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой третью составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше.

В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами – квазичастицами (как и фонон), моделирующими спиновое взаимодействие узлов кристаллической решетки магнетиков.

Эффект Пельтье Эффект был обнаружен Джоном Пельтье (Jean Peltier) в 1834 году, спустя 13 лет после открытия Зеебека.

Эффект Пельтье – это процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных металлов или полупроводников. Величина выделяемого количества тепла QAB и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока:

где PAB = PB – PA – коэффициент Пельтье для модуля Пельтье, PB и PA – коэффициенты Пельтье для каждого из контактирующих веществ. Заметим, что коэффициенты Пельтье для кремниевых (Si) полупроводников p-типа отрицательны, а для n-типа – положительны.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем:

На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создает внутреннее контактное электрическое поле E (см. описание явления Зеебека). Если через контакт идет ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идет против электрического поля E, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая будет выделяться в контакте, что приведет к его нагреву. Если же ток идет по направлению поля E, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

При пропускании тока, энергия источника расходуется не только на создание тепла Пельтье но и на рассеяние тепла QДж, (количество этого тепла можно оценить по закону Джоуля-Ленца). Соответственно, в горячей части будет выделяться тепло, равное а в холодной части При тепловом равновесии в теплоизолированной системе, установившаяся разность температур в половинах модуля Пельтье будет определяться только количеством тепла QAB, так как потери тепла QДж в обеих половинах модуля Пельтье одинаковы (модули одинаковы). Соответственно, Опыт показывает, что поток количества тепла т.е. количество тепла Q, проходящего в единицу времени dt через поперечное сечение S однородной пластины, поверхности которой имеют постоянные температуры T1 и T2 (T2 T1), а толщина do мала (по сравнению с поперечными размерами) равен где – коэффициент теплопроводности материала пластины (рис.3).

Будем считать, что модуль Пельтье (рис.4) состоит из N полупроводниковых элементов Пельтье, закрепленных на массивной (по сравнению с керамической пластине, имеющей коэффициент теплопроводности. Для измерения можно использовать процесс охлаждения модуля. При выравнивании температур горячей и холодной поверхностей керамической пластины, тепло передается из «горячей» половины модуля в «холодную». Если одна из сторон керамической пластины всегда находится при постоянной температуре (близкой к комнатной – эта пластина размещена на радиаторе), то выравнивание идет до момента, когда другая сторона достигает этой комнатной температуры. Элементарное количество тепла Qo, выделяемое при остывании равно керамики, используемой для изготовления модуля Пельтье, dTW – элементарное изменение температуры «горячей» поверхности керамической пластины. Тогда Или Следовательно, зависимость функцией времени и коэффициент k = S/mcdo является константой. При этом разность температур Т21 между горячим и холодным спаями можно найти как Т21 = (Tw – Tc), где Tw – температура «горячего» спая термопары, Tc – температура «холодного» спая термопары. Учитывая, что температура «холодного» спая Tc равна температуре радиатора и, следовательно, остается неизменной, из уравнения (4) получим Из этого уравнения следует, что зависимость температуры «горячего» спая термопары Tw от времени t имеет вид т.е. экспоненциально убывает (при остывании). Соответственно, коэффициент k, согласно формуле (6), является тангенсом угла наклона графика этой формулы (см. рис.5) Из формул (2), (3) для коэффициента Пельтье получаем

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема установки показана на рис.6.



Pages:     || 2 |
 

Похожие работы:

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет Физический факультет Университетская физическая школа А.А. ЧАКАК, Н.А. МАНАКОВ ЕГЭ 2012. ФИЗИКА РЕКОМЕНДАЦИИ. ТЕСТЫ. СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Рекомендовано к изданию Ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Оренбургский...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технологический университет О.И. Кондратьева, И.А. Старостина, С.А. Казанцев, Е.В. Бурдова ВОЛНОВАЯ ОПТИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА Учебное пособие Допущено Научно-методическим Советом по физике Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет Педагогический факультет Кафедра педагогики и психологии начального образования МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ТРЕБОВАНИЙ К МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ 050400.68 ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Программа специализированной магистерской подготовки Психология и педагогика общего и...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановская государственная текстильная академия (ИГТА) ФИЗИКА И ХИМИЯ ПОЛИМЕРОВ Методические указания к проведению лабораторного практикума для студентов всех специальностей Иваново 2009 Методические указания знакомят студентов с приемами выполнения лабораторных работ и взаимосвязью между теоретическим курсом физики и химии полимеров и лабораторным практикумом по этой...»

«Предисловие 1 Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Программа, методические указания и контрольные задания по дисциплинам Аналитическая химия, Аналитическая химия и физико-химические методы анализа для студентов химико-технологических специальностей заочной формы обучения Минск 2012 2 ПРЕдисловие УДК 543(075.4) ББК 24.4я73 А64 Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционноиздательским советом университета Составители: А. Е....»

«Методические указания к выполнению контрольной работы для студентов заочного отделения по дисциплине Уравнения математической физики Дисциплина Уравнения математической физики относится к базовой части дисциплин математического и естественнонаучного цикла. Программа дисциплины Уравнения математической физики предназначена для студентов 2 курса. Изучение дисциплины требует знания курса Высшей математики. Данная дисциплина необходима для успешного усвоения дисциплин Механика жидкости и газа,...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Уральский Государственный Экономический университет ФИЗИЧЕСКАЯ и КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ и ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА Задания для самостоятельной работы студентов специальностей ТНТ и ТЭТД Екатеринбург 2006 Составитель: Г.М.Белышева Рецензент: Л.Г.Протасова 2 Введение Контрольные задания для самостоятельной работы по курсу Физическая, коллоидная химия и физико-химические методы контроля качества составлены в соответствии с программой курса,...»

«КАНАРЁВ Ф.М. ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ О МИКРОМИРЕ Краснодар 2010 УДК 530.145 Канарёв Ф.М. Ответы на вопросы о микромире. Учебное пособие. Новые знания о микромире уже настолько обширны и глубоки, что их объём, изложенный в двух томах монографии Начала физхимии микромира, превышает 2000 страниц книжного формата. Чтобы облегчить освоение этих знаний о микромире, мы представляем их в виде ответов на вопросы. Вопросы, на которые мы будем давать ответы, следуют из монографии. В ней представлена новая...»

«Физический факультет Казанского государственного университета Гусев Ю.А. ОСНОВЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Учебное пособие Казань 2008 Предисловие Метод диэлектрических измерений впервые в Казанском государственном университете был применен Непримеровым Н.Н. для определения диэлектрической постоянной парамагнитных солей (1954). Далее сотрудник кафедры радиоэлектроники Седых Н.В. применял данный метод для исследования растительных белков (1960). В дальнейшем методика измерения диэлектрических...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ М.И. Мазурицкий, Г.Э. Яловега Учебно-методическое пособие к практикуму по атомной физике Закон Мозли и рентгеновские характеристические спектры Ростов-на-Дону 2012 Методические указания разработаны кандидатами физико-математических наук, доцентами кафедры физики наносистем и спектроскопии...»




 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.