лабораторная 2 рмирк. лабораторная 2. Отчет по лабораторной работе 2 Исследование термоэлектрического эффекта

• Название: Отчет по лабораторной работе 2 Исследование термоэлектрического эффекта
• Анкор: лабораторная 2 рмирк
• Дата: 21.12.2021
• Размер: 58.37 Kb.
• Имя файла: лабораторная 2.docx
• Тип: Отчет; #312956

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

ОТЧЕТ

По лабораторной работе №2

«Исследование термоэлектрического эффекта»

по дисциплине «Радиоматериалы и радиокомпоненты»

Выполнил: студент группы ПР-211

Волков В.С.

Проверил: Доцент, К.Н. Вальке А.А.


Омск 2021

Цель работы:

1. 
   Изучение контактных явлений и термоэлектродвижущей силы.
   
2. 
   Исследование термопар.
   

Краткая теория:

При соприкосновении двух разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов. Согласно квантовой теории основной причиной появления разности потенциалов на контакте является различная энергия Ферми у сопрягаемых металлов. Так как кинетическая энергия электронов, находящихся на уровне Ферми, в различных металлах различна, то при контактировании материалов возникает переход электронов из области с большим значением энергии в область, где эта энергия меньше. И когда работа электрона по преодолению сил возникшего электрического поля станет равной разности энергии электронов уровней Ферми, наступит равновесие. Таким образом, внутренняя контактная разность потенциалов определяется разностью энергий Ферми для различных металлов. Так как скорости хаотического движения электронов весьма велики, равновесие установится очень быстро – за время τ = 10^–10 с.

При различной температуре мест контакта (Т₁ и T₂) в замкнутой цепи из двух металлов возникает термоэлектрический ток (рис. 6.1), т. е. если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах цепи появится термоЭДС. По имени первооткрывателя это явление получило название эффекта Зеебека.



а б

Рис.6.1.Иллюстрация термоэлектрического эффекта:

а– общий случай; б– термопара

На некотором температурном интервале термоЭДС ε прямо пропорциональна разности температур контактов (спаев):

 (U₂ U₁ )  a_T(T₂  T₁ ),

(6.1)

где 𝑎_𝑇 – коэффициент, характеризующий дифференциальную удельную термоЭДС, зависящий от природы контактирующих проводников и температуры Т₁ и Т₂.

Эта термоЭДС объясняется тремя причинами.

Первая из них обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, так как в металлах с увеличением температуры уровень Ферми уменьшается. Следовательно, на холодном конце проводников он будет выше, чем на горячем, вследствие этого равновесие нарушается и возникает контактная составляющая термоЭДС.

Вторая составляющая термоЭДС обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным, так как средняя энергия электронов в металле изменяется от температуры. Тогда электроны, сосредоточенные на горячем конце, будут обладать большей кинетической энергией и большей скоростью движения по сравнению с электронами холодного конца. Следовательно, они будут диффундировать в направлении от горячего конца к холодному.

Третья составляющая термоЭДС возникает в контуре вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии (фононами). Их поток также распространяется к холодному концу.

Следует отметить, что в соответствии с представленными объяснениями причин возникновения термоЭДС в однородном проводнике, т. е. изготовленном из одного металла, при наличии градиента температуры на концах его также возникает разность потенциалов. Ее значение, отнесенное к единичной разности температур на концах проводника, называется абсолютной удельной термоЭДС. Следовательно, в термопаре дифференциальная удельная термоЭДС a_Tпредставляет собой разность абсолютных удельных термоЭДС составляющих ее проводников:

, (6.2)

где 𝑎^𝐴 и 𝑎^𝐵 – абсолютные удельные термоЭДС контактирующих

𝑇 𝑇

металлов А и В.

Из выражения (6.2) следует, что если известно абсолютное значение удельной термоЭДС одного материала, принятого в качестве эталона, то для любого другого материала этот параметр легко получить экспериментально с помощью измерений относительно этого эталона. Для определения абсолютных термоЭДС в качестве эталона, как правило, используется свинец, у которого термоэлектрические свойства выражены очень слабо. Знак термоЭДС считается отрицательным, если горячий конец проводника заряжается положительно. Численные значения абсолютной удельной термоЭДС для различных металлов и сплавов приводятся в справочной литературе.

Материалы, применяемые для термопар

Теоретически термоЭДС можно получить из любых сочетаний металлов и сплавов. На практике же желательно, чтобы термоЭДС была достаточно большой, чтобы электросопротивление термопары было не слишком высоким, характеристика зависимости ε = f(Т) была линейной, а диапазон измеряемых температур достаточно большим. Материалы для термопар должны иметь

возможно более высокую точку плавления, обладать хорошей стабильностью α_Т, легко обрабатываться. Термоэлектроды должны обладать достаточной коррозионной стойкостью и быть устойчивыми к окислительному и восстановительному действию среды. В процессе эксплуатации в результате окалинообразования или окисления не должны изменяться их термоэлектрические свойства. Легирующие элементы, входящие в состав сплавов, не должны диффундировать наружу в результате селективного окисления или испаряться при высокой температуре. Выполнение этих условий необходимо для получения линейной и стабильной зависимости термоЭДС от температуры в течение длительного срока эксплуатации.

Анализ данных величины термоЭДС, развиваемых различными материалами, показал, что наибольшая ее величина достигается в неметаллических полупроводниковых материалах, но вышеперечисленным практическим требованиям удовлетворяют только некоторые сплавы и их комбинации из металлических компонентов.

В настоящее время для интервала температур от –20 до 2300 °С определено семь различных комбинаций сплавов, для которых имеются международные таблицы зависимости термоЭДС от температуры.

В отечественной практике наиболее часто для термопар применяются следующие сплавы:

• 
  копель (56 % Сu и 44 % Ni);
  
• 
  алюмель (95 %, остальные Al, Si, Mn);
  
• 
  хромель (90 % Ni и 10 % Сr);
  
• 
  платинородий (90 % Pt и 10 % Rh).
  

Из чистых металлов применяются платина, железо, медь.

Из сплавов и металлов, не вошедших в международный стандарт, в промышленности применяют константан – сплав меди 60 % и никеля 40 %; вольфрам, молибден, рений, иридий.

T, ^oC

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150
Данные эксперимента:

Х – К		Х – A		M – К
T, oC	U, мВ	T, oC	U, мВ	T, oC	U, мВ
23	0	23	0	23	0
30	0,2	30	0,7	30	0,2
40	0,5	40	1,2	40	0,3
50	0,8	50	1,5	50	0,4
60	1,2	60	2,2	60	0,5
70	1,8	70	3,4	70	0,8
80	2	80	3,7	80	0,9
90	2,2	90	4,1	90	0,9
100	2,6	100	4,8	100	1
110	3	110	5,4	110	1,2
120	3,3	120	6,1	120	1,4
130	3,7	130	6,8	130	1,5
140	4	140	7,2	140	1,6
150	4,2	150	8	150	1,8
160	4,6	160	8,5	160	1,8

График ε = f(T) для исследуемых термопар

Расчетные данные:

(X − A)₁: T₂ – T₁ = 333𝐾 − 303𝐾 = 30𝐾; 𝑈₂ − 𝑈₁ = 2,2 мВ − 0,7 мВ = 1,5 мВ

(X − A)₂: T₂ – T₁ = 373𝐾 − 343𝐾 = 30K; 𝑈₂ − 𝑈₁ = 4,8 мВ − 3,4 мВ = 1,4 мВ

(X − A)₃: T₂ – T₁ = 423𝐾 − 393𝐾 = 30𝐾; 𝑈₂ − 𝑈₁ = 8 мВ – 6,1 мВ = 1,9 мВ

Для :

Для :

Для :

Вывод

В данной работе мы изучали контактные явления и термоэлектродвижущую силу, а также исследовали термопары. Нами были сняты значения термоЭДС термопар при различных температурах и построены зависимости ε(t) для каждой термопары. Были рассчитаны дифференциальные удельные термоЭДС α_T для каждой термопары на заданном интервале температур. ТермоЭДС на исследуемом интервале температур, судя по графикам, возрастала практически линейно для каждой термопары.