Методика выполнения работы

Цели работы: изучение физической природы эффектов Зеебека и Пельтье; исследование зависимости ЭДС термопары от разности температур между контактами; расчет температурного коэффициента термоЭДС.

Приборы и принадлежности: термопара; электрический нагреватель; ртутный термометр; электронный милливольтметр.

Схема измерений

Рис. 1.13. Электрическая схема опыта:

1 – нагреватель; 2 – измерительный сосуд; 3 – термометр; 4 – термопара; 5 – термостат;

6 – электронный милливольтметр

Порядок выполнения работы

1. Проверьте правильность собранной электрической цепи согласно приведенной на рис. 1.10 схеме.

2. Заполните термостат смесью воды со льдом, через некоторое время в термостате установится термодинамическое равновесие при температуре 0 °С, которое будет поддерживаться до полного таяния льда. В измерительный сосуд налейте воду при комнатной температуре, поставьте в держатель ртутный термометр (при работе с термометром необходимо бережное обращение во избежании утечки ртути), установите сосуд на нагреватель.

3. Один спай термопары погрузите в смесь воды со льдом, находящуюся в термостате, а другой спай погрузите в воду измерительного сосуда.

4. Установите на электронном милливольтметре предел измерений U_пред 200 мВ. Включите милливольтметр в сеть. Измерьте с помощью милливольтметра термоЭДС при начальном значении температуры воды в измерительном сосуде. При помощи термометра определите начальную температуру воды. Данные эксперимента внесите в табл. 1.1.

Таблица 1.1

5. Включите нагреватель и проводите дальнейшие измерения термоЭДС через ~ 3-5 °С. Полученные данные внесите в таблицу измерений. Рекомендуется провести не менее десяти – двенадцати измерений (конечная температура по указанию преподавателя).

6. По экспериментальным данным постройте градуировочный график Э_т(T) для исследуемой термопары.

7. На линейном участке зависимости Э_т(T) рассчитайте температурный коэффициент термоЭДС термопары по формуле

(1.14)

где DЭ_т – изменение термоЭДС на линейном участке зависимости; DT - изменение температуры на данном участке.

Контрольные вопросы

1. Энергетический спектр электронов в металле; вырожденный электронный газ; распределение Ферми – Дирака; уровень Ферми; работа выхода электронов из металла; электрохимический потенциал.

2. Контакт двух металлов с разными значениями работ выхода и электрохимических потенциалов, условие установления термодинамического равновесия электронного газа контактирующих металлов.

3. Образование внешнего энергетического барьера при контакте металлов; внешняя контактная разность потенциалов.

4. Внутренний энергетический барьер на контакте металлов; внутренняя контактная разность потенциалов.

5. Возникновение температурной разности потенциалов U_т при наличии градиента температур между краями металлического проводника; объяснение возникновения U_т с классической и квантовой теории.

6. Биметаллическая цепь; явление Зеебека; причины возникновения термоЭДС при наличии разности температур между контактами; преимущество термопар перед обычными термометрами.

7. Перенос теплоты в биметаллической цепи; биметаллическая цепь как тепловая машина, эффект Пельтье, области его применения.

Список литературы

1. Савельев И. В. Курс общей физики: В 5 кн.: Кн. 5: Квантовая оптика. Физика твердого тела: Учеб. пособие. – М.: Астрель, 2003. С. 259-268.

2. Киреев П.С. Физика полупроводников: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк., 1975. С. 469-474.

3. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк. 1999. С. 621-622.