Лабораторна робота №85

Вступ

В зв’язку з бурхливим розвитком в наш час електронних засобів комунікації особливо важливе значення в системі знань і умінь майбутніх інженерів посідає вивчення фізики напівпровідників. Робота будь-якого електронного приладу базується на фізичних законах і явищах, які відбуваються в царині напівпровідникових матеріалів. Для більш глибокого засвоєння студентами суті цих законів і явищ і формування в них навиків використовувати їх в своїй практичній діяльності і призначений даний практикум. В практикумі значне місце відводиться принципу, ідеї фізичного експерименту. Він націлює студентів на те, щоб вони самі стали для себе першовідкривачами тих чи інших законів. Студент повинен добре розуміти, навіщо досліджується дане фізичне явище, як його дослідити, як оформити результати проведених дослідів, та як оцінити похибки експерименту.

Слід зазначити, що в наш час прогрес майже в усіх галузях науки і техніки багато в чому обумовлений успіхами напівпровідникової електроніки. Тому знання основ технічної електроніки необхідні інженерові будь-якої спеціальності. Особливо важливо уявити можливості сучасної напівпровідникової техніки для вирішення наукових та виробничих завдань в тій чи іншій галузі. Багато задач керування, вимірювання, інтенсифікації технологічних процесів, що виникають в різних галузях техніки, можуть бути успішно розв’язані спеціалістами, знайомими з основами напівпровідникового матеріалознавства.

Практикум містить 6 лабораторних робіт. В кожній роботі дається виклад теорії та вказана методика і послідовність виконання роботи, а також додається перелік запитань для перевірки засвоєних знань.

Метою даного лабораторного практикуму є знайомство з фізичними основами, принципами дії та параметрами напівпровідникових приладів, набуття навиків їх використання для вирішення виробничих завдань.

ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАРИ І ВИЗНАЧЕННЯ ЇЇ ТЕРМОЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ

Мета роботи: ознайомитись з термоелектричними явищами.

Прилади і матеріали: термопара, термометри, термостійкі посудини, електронагрівна спіраль, мінеральне масло, мікровольтметр.

1 ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1.1 Контактні явища в металах

Якщо два різнорідних метали привести в контакт, то між ними виникає контактна різниця потенціалів. Італійський фізик А. Вольта встановив, що якщо метали Al, Zn, Sn, Pb, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт у вказаній послідовності, то кожний попередній при дотику з одним із наступних зарядиться позитивно. Цей ряд металів називається рядом Вольта. А. Вольта експериментально встановив такі два закони:

1. Контактна різниця потенціалів між двома металами залежить тільки від хімічного складу і температури контактуючих металів.

2. Контактна різниця потенціалів послідовно з’єднаних різних провідників при однаковій температурі не залежить від хімічного складу проміжних провідників і рівна контактній різниці потенціалів, яка виникає при безпосередньому з’єднанні крайніх провідників.

Для пояснення явища виникнення контактної різниці потенціалів розглянемо контакт двох металів з різними роботами виходу А₁ і А₂ електронів, тобто з різними положеннями рівнів Фермі (верхніх заповнених електронами енергетичних рівнів). Якщо А₁ < А₂, то рівень Фермі в металі 1 вищий, ніж в металі 2-

(рис. 85.1а). Таким чином, при контакті цих металів електрони з більш високих рівнів металу 1 будуть переходити на більш низькі рівні металу 2. При цьому метал 1 зарядиться позитивно, а метал 2 – негативно. Одночасно відбувається відносне зміщення енергетичних рівнів: в металі 1, який заряджений позитивно – вниз, а в металі 2, який заряджений негативно – вверх. Цей процес буде проходити до тих пір, доки між контактуючими металами не встановиться рівновага, яка характеризується спів паданням рівнів Фермі в

Рисунок 85.1

обидвох металах (рис. 1б). Оскільки в контактуючих металах рівні Фермі співпадають, а роботи виходу А­₁ і А₂ електронів не змінюються, то потенціальна енергія електронів в точках А і В (рис. 85.1б) буде різною, тобто між точками А і В виникне різниця потенціалів

, (85.1)

де е – заряд електрона. Ця різниця потенціалів Δφ' називається зовнішньою контактною різницею потенціалів.

Якщо рівні Фермі E_F1і E_F2для контактуючих металів не однакові, то між внутрішніми точками в цих металах існує внутрішня контактна різниця потенціалів, рівна

. (85.2)

В квантовій теорії доводиться, що причиною виникнення внутрішньої контактної різниці потенціалів є різна концентрація електронів в контактуючих металах, а її величина пропорційна температурі Т в контакті металів:

, (85.3)

де к – стала Больцмана; n₁ і n₂ – концентрації електронів в металах 1 і 2 відповідно. Повна контактна різниця потенціалів в контактуючих металах:

. (85.4)

1.2 Термоелектричні явища і їх застосування

Згідно другого закону А. Вольта в замкненому колі, яке складається з декількох металів при однаковій температурі, сумарна контактна різниця потенціалів рівна 0, тобто струм в колі проходити не буде. Але якщо температура контактів різна, то в колі виникає термоелектричний струм, оскільки при цьому сумарна контактна різниця потенціалів відмінна від 0, тобто виникає термоелектрорушійна сила. Явище виникнення термоелек-тричного струму (явище Зеебека), а також тісно зв’язані з ним явища Пельтьє і Томсона називають термоелектричними явищами.

Французький фізик Ж. Пельтьє виявив, що при проходженні через контакт двох різних провідників електричного струму в залежності від його напряму, крім теплоти Джоуля виділяється (поглинається) додаткова теплота. На відміну від теплоти Джоуля, яка пропорційна квадрату сили струму, теплота Пельтьє пропорційна силі струму і змінює знак при зміні напряму струму. Явище Пельтьє можна пояснити так. Електрони по різні сторони від контакту металів мають різну середню енергію. Якщо електрони з більшою енергією перейдуть в метал, де є електрони з меншою енергією, то надлишок своєї енергії вони віддадуть кристалічній гратці і місце контакту металів буде нагріватись. Якщо ж електрони з меншою енергією перейдуть в метал, де є електрони з більшою енергією, то вони будуть забирати недостачу енергії в кристалічної гратки і контакт буде охолоджуватись. Явище Пельтьє використовується в термоелектричних напівпровідникових холодильниках та в інших електронних приладах.

В. Томсон (Кельвін), досліджуючи термоелектричні явища, виявив, що при проходженні струму по нерівномірно нагрітому провіднику відбувається додаткове виділення (поглинання) теплоти, аналогічної теплоті Пельтьє. Це явище отримало назву ефекту Томсона. Оскільки в більш нагрітій частині провідника електрони мають більшу середню енергію, то, рухаючись в напрямі зменшення температури, вони віддають частину своєї енергії кристалічній гратці, що й обумовлює виділення теплоти Томсона. Якщо ж електрони рухаються в сторону збільшення температури, то вони, навпаки, поповнюють свою енергію за рахунок зменшення енергії кристалічної гратки, в результаті чого відбувається поглинання теплоти Томсона.

Розглянемо електричне коло із двох спаяних між собою різнорідних провідників. Такий пристрій називається термопарою. При однакових температурах Т контактів 1 і 2 термопари (рис85.2а)

Рисунок 85.2

струм в колі відсутній, оскільки контактні різниці потенціалів в обидвох спаях рівні за величиною, але компенсують одна одну, тобто результуюча контактна різниця потенціалів Δφ, яка рівна термоелектрорушійній силі ε, згідно співвідношення (85.4)

. (85.5)

Якщо ж температури спаїв 1 і 2 різні (рис. 85.2б), то загальна контактна різниця потенціалів в колі при Т₂ > Т₁

. (85.6)

Підставивши значення Δφ₁ і Δφ₂ згідно співвідношення (85.4) в (85.6), отримаємо:

. (85.7)

Загальна контактна різниця потенціалів є сумою стрибків потенціалів у замкненому колі, отже є термоелектрорушійною силою:

, (85.8)

де ΔТ = Т₂ - Т₁. Величина

(85.9)

називається диференціальною термоелектрорушійною силою. Вона є постійною для даної пари металів в широкому діапазоні температур. З урахуванням (85.9) вираз (85.8) набуває вигляду:

, (85.10)

звідки

, (85.11)

тобто диференціальна термодинамічна сила є термоелектрору-шійною силою при різниці температур між спаями ΔТ = 1К.

З метою градуювання термопари її спаї занурюють в посудини з маслом, в яких містяться термометри. В одній з цих посудин є електронагрівна спіраль, що дає змогу змінювати різницю температур ΔТ між спаями досліджуваної термопари. Для вимірювання термоелектрорушійної сили ε в коло термопари ввімкнений мікровольтметр (рис. 85.3).

Рисунок 85.3

Термопару – комбінацію двох провідників різного хімічного складу – найчастіше використовують для вимірювання температури. До її вільних кінців приєднують чутливий гальванометр. Знаючи силу струму, яку показує гальванометр, можна визначити термоелектрорушійну силу термопари. На практиці, як правило, шкала гальванометра проградуйована в градусах температури. За допомогою термопар з точністю до сотих часток градуса можна вимірювати як низькі, так і високі температури. Для вимірювання високих температур (до 1900К) зазвичай застосовують платино-родієві термопари. При цьому термопару розміщують у трубці з вогнетривкого матеріалу. Кінець із спаєм обох металів поміщають в середовище, температуру якого потрібно виміряти. Для вимірювання відносно низьких температур (до 700К) найчастіше використовують мідно-константанові та залізо-константанові термопари.

Дата добавления: 2015-05-23