Термоелектричні явища, робота виходу

4.1 Явище термоелектронної емісії

Провідність металів зумовлена наявністю вільних електронів, які рухаються подібно до частинок ідеального газу поміж іонами кристалічної ґратки металу.

Внаслідок зіткнень вільних електронів між собою, а також з іонами ґратки встановлюється енергетично рівноважний розподіл електронів. Повна енергія електронів у гратці - від’ємна. Це означає, що при вильоті електро­ну з металу на нього діє сила, яка намагається повернути його назад у метал. Для виведення електрона з металу в вакуум необхідно виконати роботу проти цих сил, яка називається роботою виходу.

Роботою виходу називається мінімальна робота, яку повинен здійснити електрон, щоб вирватись за межі даного металу в вакуум.

Цю роботу можна також ха­рактеризувати різницею потенціалів у металі та поза ним: , де Кл. Робота виходу А є різною для різ­них металів, і залежить від температури та від стану їх поверхні. При підвищенні температури деякі електрони внаслідок хаотичного руху набувають достатньо велику кінетичну енергію і можуть вилетіти за межі металу. Випускання електронів нагрітими провідниками називають термо­електронною емісією. Це явище використовується в електронних лампах та у багатьох інших електровакуумних приладах..

Залежність сили струму термоелектронної емісії від напруги міх електродами в двохелектродній лампі при постійній температурі нагрі­вання катода називається анодною характеристикою (рис.4.1). Вигляд залежності якісно пояснюється утворенням у просторі міх електродами електронної “хмаринки”, яка утворює додат­кове електричне поле. Це поле міх електро­дами повертає частину електронів емісії у зворотному напрямі на катод.

Збільшення прискорюючої різниці по­тенціалів U_а спричиняє ріст числа елек­тронів, які досягають анода, і при цьому анодний струм І_а зростає. У цій області графік І_а = f(U_а) описується залежністю (формула Богуславського – Ленгмюра)

, (4.1)

де К залежить від розмірів і форми електродів.

При достатньо великій U_a всі електрони, що покидають катод, досягають анода. Подальший ріст струму з збільшенням анодної напруги припи­няється, встановиться струм насичення.

Теоретичний розрахунок дає залежність термоелек­тронного струму насичення від температури (формула Річардсона):

, (4.2)

де В - постійна, що залежить від матеріалу й форми катода; S - площа поверхні катоду; Т - абсолютна температура катоду; А – робота виходу елек­трона з металу; k - постійна Больцмана, k = 1.38 10^-23 Дж/К.

4.2 Контактні явища.

При з’єднанні двох різних провідників між ними виникає контактна різниця потенціалів, це явище у кінці ХYIII ст. відкрив італійський вчений А. Вольта. Він експериментально встановив два закони:

1. Контактна різниця потенціалів, що виникає при з'єднанні двох різних провідників, залежить лише від їх хімічного складу i температури.

2. Різниця потенціалів на кінцях кола, що складається з послідовно з‘єднаних кількох провідників, які перебувають при однаковій температурі, не залежить від їх хімічного складу проміжних провідників, а визначається лише різницею потенціалів, що виникає при безпосередньому кон­такті крайніх провідників.

Як уже було сказано у попередньому розділі, робота виходу електронів залежить від хімічного складу металу, температури і стану його поверхні.

При контакті двох металів з роботами виходу А ₁ і А ₂ виникає зовнішня контактна різниця потенціалів

. (4.3)

де - заряд електрона. це різниця потенціалів між двома точками, що перебувають дуже близько від поверхні першого і другого контактуючих металів поза ними. Ця різниця характеризує електростатичне поле створене контактом двох металів у просторі, що їх оточує. Крім зовнішньої різниці потенціалів, при контакті двох металів виникає також і внутрішня контактна різниця потенціалів. Причиною виникнення внутрішньої контактної різниці потенціалів є різна концентрація електронів провідності у цих металах. Різниця потенціалів зумовлює дифузійний потік електронів від металу з більшою концентрацією до металу з меншою концентрацією електронів. Внаслідок дифузійного переходу електронів, на межі двох металів виникає внутрішня різниця потенціалів

, (4.4)

де - стала Больцмана; Т – температура. Об’єднавши вирази (4.3) і (4.4), отримаємо формулу для контактної різниці потенціалів

, (4.5)

яка виникає на межі двох металів. Досліди показують, що зовнішня контактна різниця потенціалів практично не залежить від температури, в той час як внутрішня контактна різниця потенціалів зростає пропорційно абсолютній температурі. Проведені розрахунки свідчать про те, що при кімнатній температурі .

Явище Зеебека

Розглянемо замкнене коло, яке складається з двох провідників 1 і 2 (Рис. 4,2).

Згідно з другим законом Кірхгофа, електрорушійна сила ε, що діє у даному колі, дорівнює сумі спадів напруг і відповідно на ділянках a1b і b2a, тобто у першому і другому провідниках

. (4.6)

Значення і можна визначити за законом Ома для ділянки кола (3.13).

Якщо врахувати, що на ділянках a 1 b і b 2 a не прикладемо ЕРС, то і . Підставивши ці значення у (4.6), отримаємо:

Таким чином, з врахуванням (4.5), можна стверджувати, що у розглядуваному колі діє електрорушійна сила, яка дорівнює алгебраїчній сумі всіх внутрішніх контактних різниць потенціалів

,

або

, (4.7)

де . Величина α – стала, яка характеризує властивості контакту двох металів.

Якщо температури обох спаїв одинакові, то з рівняння (4.7) випливає, що у замкненому колі, утвореному кількома металевими провідниками, усі спаї яких перебувають при однаковій температурі, електрорушійна сила за рахунок тільки контактних різниць потенціалів виникнути не може. Інакше виглядає справа коли температури спаїв і різні, наприклад > . У цьому випадку в замкненому колі виникає так звана термоелектрорушійна сила, пропорційна різниці температур обох спаїв.

Термоелектричні явища у металах набули широкого застосування, головним чином для вимірюванні температури. Для цієї мети використовують термоелементи,або термопари - дві дротини, виготовлені з різних металів або сплавів, значення коефіцієнту αяких у формулі (4.7) відоме. Кінці цих дротин зварюють (рис.4. 3).

Один спай вміщують в середовище, темпе­ратуру якого Т₂ необхідно виміряти, а другий – у середовище з відомою температурою Т₁. Вимірюючи за допомогою мілівольтметра, отримуємо з (4.7) значення температури Т₂.

Термопари мають багато переваг над звичайними термометрами: значно ширший діапазон вимірюваних температур, велику чутливість, дають змогу передавати інформацію про температуру об’єкту на віддаль, здійснювати автоматичне вимірювання, запис і регулювання температури. Крім вимірювання температури, термоелектричні явища у металах використовують також для створення термоелектричних джерел струму -термогенераторів.

Явище Пельтьє.

При протіканні струму через неодноріднеколо, складене з двох провідників, виготовлених з різних металів, на одному контактівиділяється, а на іншому поглинається теплота

Пq = ПІt. (4.10)

де Q _п - теплота, яка виділяється (поглинається) на контакті; q - за­ряд, що проходить через спай; П - коефіцієнт Пельтьє.

На віміну від теплоти Джоуля (Q = I²Rt), теплота Пельтье пропорційна першому степеню струму (Q _п = IRt) і змінює знак при зміні напрямку струму. Причина явища Пельтье полягає у тому, що середня енергія електронів в різних металах - різна. Якщо при переході через контакт середня енергія електрона зменшується, то спай нaгpiвається, i навпаки.

Явище Томсона

При проходженні струму по однорідному провіднику з градієнтом температури виділяється або поглинається теплота

, (4.11)

де - кількість теплоти, що виділяється додатково до теплоти Джоуля;

- коефіцієнт Томсона; - градієнт температури; q - заряд, який пройшов по провіднику.

Причина явища полягає в тому, що електрони разом з зарядом переносять кінетичну енергію теплового руху: якщо струм тече в напрямку збільшення температури, то зростання eнepгії електронів відбувається за рахунок теплової енергії провідника i приводить до його охолодження, а якщо напрямок струму співпадає з напрямом зменшенням температури, то відбувається нагрівання провідника.

Лабораторні роботи

(Контактні явища і термоелектронна емісія)

Лабораторна робота №7

Визначення роботи виходу електронів з металу за допомогою явища термоелектронної емісії.

Мета роботи: дослідження явища термоелектронної емісії та визначення роботи виходу електронів з вольфраму.

Виведення розрахункової формули

Перед виконанням лабораторної роботи необхідно вивчити матеріал з розділу 4.1

Оскільки у формулу (4.2) входять невідомі А і В (постійні для даного приладу), то для обчислення А потрібно виміряти струм насичення при двох різних температурах катода Т₁ і Т₂.

(4.12)

(4.13)

Розв’язавши цю систему рівнянь, визначимо роботу виходу

А = (4.14)

Враховуючи, що ln змінюється повільно з , то звеликим ступенем точності замість формули (4.14), можна користуватись співвідношенням

А = (4.15)

Температури катоду Т₁, Т₂ визначаємо за залежністю його опору R_t від температури розжарювання R_t = R₀ (1 + t), T = (t + 273) К.

Т = (4.16)

Тут R₀ - опірнитки розжарювання при 0 °С; - температурний коефіці­єнт опору металу (для вольфраму К) За законом Ома

R_t = , (4.17)

де U_р - напруга розжарювання катоду, вимірювана вольтметром V; І_р – струм розжарювання, вимірюваний амперметром А_н (рис 4.4).

Для проведення вимірювань використовується пристосування, схема якого зображена на рис. 4.4. Об'єктом досліджень є вольфрамованитка, що слу­жить катодом двохелектродної електронної лампи. Подача анод­ної напруги і нагрівання катоду здійснюється від випрямляючого пристрою типу УИП-2, спрощена електрична схема, якого показана на рис. 4.4 всередині пунктирного прямокутника. Анодна напруга регулюється потенціометром П і вимірюється вольтметром V_a. Анодний струм вимірюється міліамперметром mA, сила стру­му розжарювання регулюється реостатом R..

Порядок виконання роботи.

У даній роботі необхідно за формулою (4.15) визначити роботу виходу електрона з металу (вольфраму).

1. Зібрати схему згідно з рис. 4.4

Рис.4.4

2. За допомогою реостата R встановити вказаний на установці струм І_р виміряти напругу U_р.

3. Дослідити залежність величини анодного струму І_а від анодної напруги U_a в ділянці струму насичення і побудувати графік залежності І_а = f(U_a).

4. За графіком визначити величину струму насичення І_нас при даному значенні

5. Вимірювання, вказані в п. 2-4, провести й для всіх значень , зазначених на щиті де розміщені прилади.

6. Для кожної пари значень і знайти за формулою (4.17) R_t, потім за формулою (4.16) визначити температуру катоду Т_і. Значення величини R₀ вказане на щиті приладів.

7. За формулою (4.15) обчислити роботу виходу A для трьох різних пар значень Т_1, Т₂ і відповідних їм і а також визначити її середнє значення.

8. Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю.

№ п/п	Uр	Ір	Rt	R0	T	Інас	А

Контрольні запитання.

1. Що таке робота виходу електрона з металу?

2. Пояснити явище термоелектронної емісії.

3. Як пояснити існування струму насичення?

4. Який закон описує залежність анодного струму від андної напруги у двохелектродній лампі?

Лабораторна робота № 9

Градуювання термопари і спостереження явища Пельтьє.

Мета роботи: проградуювати термопару. За отриманою кривою градуювання, дослідити явище Пельтьє

Перед виконанням лабораторної роботи необхідно вивчити матеріал з розділу 4.2.

Порядок виконання роботи.

1. Перевірити положення вимикачів i автотрансформатора (рис.4.5): вимикачі 7, 12 у лівому положенні, автотрансформатор на "О".

2. Ознайомитись з порядком роботи цифрового вольтметра (інструкція на робочому мiсцi).

3. Підготувати таблицю градуювання термопари

t2 , ^0С
t1 , ^0С
Т2 – Т1
мВ
мВ

4. Увімкнути автотрансформатор (ЛАТР) у розетку змінного струму і, регулюючи ним напругу на нагрівачі, поступово підвищувати температуру.

5. Виміряти i записати і - порядковий но­мер виміру (через кожні 10 градусів від кімнатної температури до 160 ⁰С.

6. Побудувати графік (суцільна лінія).

7. Для усix значень різниці температур Т₂ – Т₁ визначити дійсні значення термоЕРС. взяти з таблиці, що є на робочому місці.

8. Побудувати в одній координатній площині графіки залежностей суцільною лінією і пунктирною лінією.

9. На основі двох одержаних графіків визначити середнє значення абсолют­ної похибки градуювання термопари.

10. Визначити питому термоЕРС для двох крайніх і середньої точки графіка (за п.6).

11. Встановити ручку ЛАТРа на "О" i вимкнути його з розетки.

12. Увімкнути елемент Пельтьє в коло постійного струму i встановити реостатом вказані на робочому місці струми. Виміряти термоЕРС на контактах 5, 6, перемикаючи термопари вимикачем 8. Визначити різницю термоЕРС, і за таблицею, що знаходиться на робочому місці, визначити значення різниці температур контактів.

Контрольні запитання

1. Поясніть причину виникнення контактної різниці потенціалів.

2. У чому суть термоелектричних явищ.

3. Як залежить термоЕРС від температури?

4. Які переваги при вимірюванні температури за допомогоютермопари.

Дата добавления: 2014-12-16