Теоретичні відомості. У 1797 Р. А. Вольта зареєстрував різницю потенціалів на контакті (спаї) двох різних

У 1797 р. А.Вольта зареєстрував різницю потенціалів на контакті (спаї) двох різних металів. Пізніше контактну різницю потенціалів (к.р.п.) було виявлено між металом та напівпровідником і двома різними напівпровідниками. Вольта встановив, що:

1) к.р.п. залежить від природи контактуючих речовин;

2) к.р.п. на кінцях ланцюжка металів різного роду не залежить від природи проміжних ланок, а визначається лише крайніми металами.

Згідно зі сформульованим вище законом послідовних контактів Вольти в замкненому колі, яке складається з декількох різних металів, струм не протікатиме. Проте, в 1821 р. Т.Й.Зеебек встановив, що при різних температурах спаїв у замкненому колі все-таки виникає струм. Останній називають термоелектричним, а ефект появи струму – явищем Зеебека. Набір двох послідовно з’єднаних спаїв називають термопарою. Виникнення термоелектричного струму прийнято пов’язувати з термоелектрорушійною силою , величина якої складається з к.р.п. обох спаїв термопари.

Виходячи з класичної теорії вільних електронів, к.р.п. на границі двох металів А та В залежить від потенціалів виходу та , концентрацій і електронів у них та абсолютної температури контакту:

(1)

Тут – стала Больцмана, а – елементарний заряд.

Розглянемо електричне коло, зображене на рис.1. Воно містить два спаї різних металів та . Нехай при навколишній температурі температури спаїв відповідно дорівнюють і . Згідно з формулою (1) результуюча різниця потенціалів для термопари буде:

(2)

Величину називають коефіцієнтом електрорушійної сили термопари. Формула (2) отримана в наближенні, що ні потенціали виходу чи ні концентрації чи електронів не залежать від температури. В принципі це невірно, однак на практиці вираз (2) виконується в широкому діапазоні температур для багатьох пар металів.

Окрім явища Зеебека відомі інші термоелектричні явища. Так, у 1834р. Ж.Ш.-А.Пельтьє відкрив зворотний ефект: при протіканні струму через контакт двох металів у спаї виділяється (чи поглинається) теплота:

(3)

Тут та – сталі Пельтьє для даних контактів, а – час протікання струму. Виділятиметься чи поглинатиметься теплота Пельтьє у даному спаї – залежить від напрямку струму . Застосуємо до термоелектричних явищ закони термодинаміки. Вважаючи явище Пельтьє оборотним, запишемо незмінність ентропії (рівність Клаузіуса) для термопари:

(4)

Підставивши у (4) вираз (3), отримаємо зв’язок між коефіцієнтами Пельтьє:

(5)

Прирівнюючи роботу термоелектрорушійної сили до теплоти Пельтьє:

(6)

та враховуючи співвідношення (5), отримуємо зв’язок між коефіцієнтами Пельтьє і коефіцієнтом термоелектрорушійної сили:

(7)

В. Томсон (у майбутньому лорд Кельвін) звернув увагу на те, що різні ділянки термопари перебувають при різних температурах. Аналізуючи це явище, він у 1856р. встановив третій термодинамічний ефект (ефект Томсона): якщо вздовж металу, яким протікає струм існує градієнт температури то, крім джоулевої теплоти:

(8)

де – опір зразка, на ділянці виділятиметься (чи поглинатиметься) ще деяка кількість теплоти:

(9)

Тут коефіцієнт Томсона. Теплота Томсона значно менша за джоулеву теплоту, тому на практиці нею часто нехтують.

Досліджувати термоелектричні явища будемо на лабораторному пристрої, електрична схема якого наведена на рис.2. Його основою є поміщений в термостат із температурою спай двох пар різних металів. Через контакт першої пари пропускаємо струм а друга частина спаю слугуватиме елементом термопари для визначення температури контакту.

У той час, коли при зміні напряму струму теплота Пельтьє змінює свій знак на протилежний, джоулева теплота знаку не змінює. Тому, при протіканні струму однієї і тієї ж сили в різних напрямах, температури контакту будуть різні та Вважаючи, що температура:

(10)

яка встановиться на контакті, пропорційна потоку теплоти що вводиться в термостат, обчислимо різницю температур та

(11)

Різниця термоелектрорушійних сил, які показує мілівольтметр, складе:

(12)

У даній роботі будемо експериментально перевіряти залежність від величини та напряму струму

Дата добавления: 2015-10-23