Влияние градиента температуры на свойства резистивного материала

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЁВА

(национальный исследовательский университет)» СГАУ

ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕРМОЭДС МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к лабораторной работе

САМАРА 2012

Составитель: Ю.И.Макарычев, к.т.н., доцент

УДК 621.396.002.3(075)

Исследование термоЭДС материалов Методические указания к лабораторной работе/СГАУ. - Самара, 2012. - 16 с.

В методических указаниях излагаются краткие теоретические сведения о работе термопар, методика проведения экспериментальных исследований термоЭДС различных пар материалов.

Методические указания являются составной частью цикла лабораторных работ по курсу «Радиоматериалы и радиокомпоненты», «Материаловедение и технология материалов», «Материаловедение».

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям: 210302 «Радиотехника», 210303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура», 160903 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов» и направлениям подготовки: 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», 211000 «», 210601«Радиоэлектронные системы и комплексы», 210400.62 «Радиотехника», 162500.62 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов».

Подготовлены на кафедре «Электронные системы и устройства».

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королёва» (СГАУ)

Рецензент: А.В.Зеленский, к.т.н., доцент

Цель работы: Исследование температурной зависимости термоЭДС различных пар металлов и сплавов.

Задание:

1 Снять зависимость термоЭДС образцов материалов от тем­ температуры.

2 Определить исследуемых пар материалов.

3 Дать интерпретацию полученным результатам.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Влияние градиента температуры на свойства резистивного материала

Составляя цепь из двух металлических проводников и нагревая один из контактов до более высокой температуры, чем другой, можно получить термоэлектродвижущую силу, которая для данной пары будет функцией только разности температур. Подбирая ма­териалы, имеющие меньшую термоэлектродвижущую силу, пользу­ются ими для создания резисторов, способных работать в радио­электронной аппаратуре в условиях значительных градиентов тем­пературы. Материалы с большой термоЭДС используют для изме­рения температуры (термопара). В измерительных приборах и об­разцовых сопротивлениях стремятся применять металлы и сплавы с возможн меньшей термоэлектродвижущей силой относительно меди, чтобы не внести погрешности в измерения. Существуют пары материалов, меняющие знак ЭДС в процессе нагревания.

Отрыв электрона от нейтрального атома связан с затратой энер­гии, необходимой для преодоления сил электростатического при­тяжения между ними. Эта энергия, выраженная в электронвольтах, получила название потенциала ионизации вещества (аналогично для твердых тел работа выхода электрона). Физический смысл работы выхода становится понятен при рас­смотрении энергетической диаграммы электронов в кристалличе­ском твердом теле. При образовании кристаллической решетки (вследствие сближения атомов) энергетические барьеры между соседними атомами снижаются настолько, что электроны зоны проводимости приобретают возможность свободно перемещаться по всему кристаллу. В то же время потенциал на поверхности кристалла остается таким же, как и у изолированного атома. Поэтому за работу выхода электронов принимается минимальный интервал энергии W_B, необходимый для удаления электрона из кристалла, и измеряется она от самого верхнего уровня, занятого электронами, - уровня Ферми.

Рассмотрим, как видоизменяются энергетические диаграммы при соприкосновении двух металлов.

Следует иметь в виду, что не только при высокой, но и при до­статочно низкой температуре имеется определенное количество электронов, обладающих энергией большей W_B. При этом, чем меньше работа выхода, тем больше таких электро­нов. Поэтому при соприкосновении металлов между ними начнется обмен «высокоэнергетическими» электронами.

Предположим, что работа выхода у первого металла меньше, чем у второго (рисунок 1).

В этом случае электронный ток, протекающий слева направо, бу­дет больше тока, протекающего в обратном направлении. Следо­вательно, поверхность второго металла будет заряжаться отрица­тельно, а на поверхности первого металла появится некомпенсированный положительный заряд. Процесс преимущественного перетекания зарядов продолжается до тех пор, пока возникшая вследствие этого разность потенциалов между металлами не скомпенсирует разность работ выхода между металлами:

q U_K = W_B1 – W_B2, (1)

где q - заряд электрона; U_к - контактная разность потенциалов; W_B1, W_B2 - работы выхода металлов.

Энергетическая диаграмма, характеризующая этот процесс, по­казана на рисунке 2.

Pисунок 2 - Энергетическая диаграмма, характеризующая

процесс перетекания зарядов

Оценим количество электронов, которое должно перейти из первого металла во второй, чтобы создать равновесную разность потенциалов Uk. Если принять U_K=1 В, зазор между металлами d=10^-7 см, то напряженность электрического поля в зазоре соста­вит E=10⁷ В/см. Принимая во внимание, что для плоского кон­денсатора справедливо выражение Q=E/4π для плотности по­верхностного заряда получим:

n=E/4 πq≅10¹² [см^-2] (2)

Число атомов на поверхности металла по порядку величины со­ставляет ~10¹⁵, следовательно, в первом металле 0,1% поверх­ностных атомов будет ионизировано, а во втором такое же коли­чество атомов получит избыточный отрицательный заряд. После этого уровни Ферми обоих металлов сравняются. При переходе части электронов из первого металла во второй изменяются также величины W_B1 и W_B2, однако ввиду того, что количество пере­шедших электронов 10¹² гораздо меньше общего количества элект­ронов в зоне проводимости ~10²², изменения работ выхода метал­лов практически не происходит.

ТермоЭДС

Сущность явления термоЭДС состоит в том, что в электриче­ской цепи, состоящей из последовательно соединенных различных металлов, возникает электродвижущая сила, если контактные спаи поддерживаются при различных температурах (рисунок 3).

Рисунок 3 – ТермоЭДС

В простей­шем случае, когда такая цепь со­стоит из двух различных металлов (рисунок 3), она носит название термопары. Возникновение термоЭДС в цепи(рисунок 3) объясняется двумя причинами: положение уровня Ферми в каждом проводнике является функцией температуры; наличие градиента температур в проводнике приводит к возникновению градиента концентрации носителей заряда.

В первом приближении зависимость уровня Ферми в металлах от температуры определяется следующим выражением:

где μ₀ – значение уровня Ферми при T=0K.

К примеру, в меди уровень Ферми снижается на 80 мкэВ при повышении температуры от 0 К до комнатной температуры.

Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что термоЭДС термопары зависит от разности температур между хо­лодным Т₀ и горячим Т спаями и для небольших интервалов температур с достаточной для практических цепей точностью под­чиняется соотношению:

Е= α_АБ(Т-Т₀), (4)

где Е - величина термоЭДС; α_АБ - коэффициент термоЭДС

для данной пары металлов.

Если оба спая находятся при одинаковой температуре, то термоЭДС спаев равны по величине и направлены противополож­но, а следовательно, суммарная термоЭДС равна нулю. С увели­чением температуры одного из спаев в нем активизируются про­цессы диффузионного перемещения заряда, в результате чего по­является дополнительная разность потенциалов.

Для однозначного определения полярности и величины термо­ЭДС поступают следующим образом. Для цепи из двух провод­ников А и В, в которых спаи находятся при температурах 0 и 100°С, определяется величина , имеющая положительный знак, если через горячий спай ток течет от А к Б, т. е. в направ­лении стрелок, указанных на рисунке 3. Величины , взятые с уче­том знака, образуют термоэлектрический ряд напряжений, причем в качестве проводника А используется один и тот же металл - платина.

Следует, однако, иметь в виду, что наличие термоЭДС не всег­да является положительным фактором. В частности, при создании прецизионных измерительных мостов постоянного тока в отдель­ных ветвях последнего могут возникать дополнительные источ­ники ЭДС вследствие неодинаковой температуры контактов ме­таллических соединений, образующих электрическую цепь. Появ­ление непредвиденных источников ЭДС вносит значительные по­грешности в процесс измерения параметров цепи.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: