ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ

Краткая теория

Контакт двух металлов

Рассмотрим схему энергетических уровней двух металлических тел, поверхности которых находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, чтобы пренебречь обменом электронами между ними. Если тела не заряжены, то уровни вакуума у них совпадают E_в1 = E_в2.

Рис. 1.10. Схема энергетических уровней двух неконтактирующих металлов

При установлении контакта между телами (контактирующие поверхности не содержат посторонних примесей) металлы будут обмениваться электронами. Тепловые электроны (с энергиями ~ E_F) в металле Ме₂ имеют избыточную энергию по сравнению с тепловыми электронами в металле Ме₁, поэтому в начальный момент контакта эмиссия электронов из Ме₂ будет больше эмиссии электронов из Ме₁. Поскольку электроны переносят отрицательный электрический заряд, поверхность Ме₁ зарядится отрицательно; поверхность Ме₂ зарядится положительно. Между наружными поверхностями металлов возникнет электрическое поле, которое приведет к повышению энергетических состояний электронов в Ме₁ и понижению энергетических состояний электронов в Ме₂. Равновесное состояние электронов в системе контактирующих металлов установится при выравнивании уровней Ферми E_F1 = E_F2.

В равновесном состоянии между поверхностями контактирующих металлов образуется внешний энергетический барьер, равный разности работ выхода E_{Б внеш} = А_{вых 1} - А_{вых 2} и установится внешняя контактная разность потенциалов

U_внеш = (1.11)

Между контактирующими металлами возникает также внутренний энергетический барьер E_{Б внутр} = m₂ - m₁, который появляется из-за разности энергий E₀ в разных металлах. Наличие внутреннего энергетического барьера приводит к появлению внутренней контактной разности потенциалов

U_внутр = (1.12)

а б

Рис. 1.11. Контакт металлов А_{вых 1} > А_{вых 2}:

а - распределение зарядов по поверхности; б - схема энергетических уровней

Внутренняя разность потенциалов приводит к появлению тонкого (порядка периода решетки) двойного заряженного слоя на контакте металлов. Внеш­няя и внутренняя разности потенциалов могут иметь как одинаковые, так и разные знаки.

Процессы в биметаллической цепи

Рассмотрим биметаллическую цепь – замкнутую цепь, состоящую из двух металлов с разными значениями работ выхода и электрохимических потенциалов. При равной температуре контактов В и С ток в цепи отсутствует, так как контактные разности потенциалов U_B и U_C имеют разные знаки и равны по величине.

Рис. 1.12. Механизм возникновения термотока в биметаллической цепи

Нагревание одного из контактов приведет к изменению электрохимических потенциалов металлов m₁ и m₂ у нагретого контакта, что приведет к изменению внутренней контактной разности потенциалов на нагретом контакте, вследствие чего в биметаллической цепи возникнет термоЭДС:

Э_т = U_{внутр(В)} - U_{внутр(С).} (1.13)

В замкнутой биметаллической цепи наличие Э_т вызовет появление электрического тока. Эффект возникновения тока в биметаллической цепи при наличии разности температур был обнаружен Зеебеком и носит его имя. Детальные исследования эффекта Зеебека показали, что при переносе заряда происходит перенос теплоты от контакта с высокой температурой к контакту с низкой температурой. При переносе заряда силы электрического поля совершают работу. С точки зрения термодинамики биметаллическая цепь с разной температурой контактов является тепловой машиной, работающей по прямому циклу. Горячий контакт цепи играет роль нагревателя, холодный – охладителя, рабочим телом «машины» является электронный газ. Следует отметить, что коэффициент преобразования тепловой энергии в работу в биметаллической цепи невелик и уступает газовым тепловым машинам. Малый КПД биметаллической цепи можно объяснить вырожденным состоянием электронного газа в металлах, в переносе заряда и тепла участвует относительно небольшое количество электронов, энергетические состояния которых находятся вблизи уровня Ферми. Более высокий КПД имеют цепи, в которых вместо металлов используются полупроводники.

Биметаллические цепи, в которых явление Зеебека используется для измерения температуры, называют термопарами. Термопары находят широкое применение в современной технике. Достоинствами термопар перед обычными термометрами являются: поступление информации о температуре в виде электрического сигнала; широкий диапазон измеряемой температуры; высокая точность и надежность измерений; возможность использования в электронных автоматических системах контроля и измерения. При работе с термопарами необходимо помнить, что с их помощью измеряется разность температур между контактами; для определения температуры, измеряемой одним контактом, необходимо знать температуру другого контакта.

При включении в биметаллическую цепь источника постоянного тока в ней наблюдается эффект Пельтье – нагревание одного из контактов и охлаждение другого контакта. В случае эффекта Пельтье биметаллическая цепь работает в качестве тепловой машины, совершающей обратный термодинамический цикл. На основе эффекта Пельтье разработаны микрохолодильники, находящие применение в электронной и космической технике. Другое применение эффекта Пельтье – создание электрических нагревателей с КПД преобразования электрической энергии в тепловую больше единицы. Подобные нагреватели выполняют роль тепловых насосов, помимо выделения джоулевой теплоты происходит перенос энергии от охлаждающегося контакта к нагревающемуся.

Включение в биметаллическую цепь других металлов не нарушает рассмотренных явлений, если все контакты этих металлов с металлами цепи находятся при одной постоянной температуре.