Файл: Шикунова Дмитрия Алексеевича Выполнение Оформление сто 04. 012012 Устный отчет.docx

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО»

Кафедра материаловедения,

технологии и управления качеством
ТЕРМОПАРА
ОТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
по дисциплине «Материалы датчиков внешних воздействий»

студента 4 курса 421 группы

направления подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технологии

материалов»,

профиль «Материаловедение и технологии новых материалов»,

факультета нано- и биомедицинских технологий
Шикунова Дмитрия Алексеевича

Выполнение
Оформление				СТО 1.04.01-2012
Устный отчет
Преподаватель профессор, д.т.н., доцент				В.В. Симаков
должность, уч. степень, уч. звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

Саратов 2019

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Термопара – пара проводников из различных материалов, соединённых на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Существует несколько методов измерения температуры: оптические, механические и электрические методы. Измерение температуры термопарой основано на электрическом методе, основой которого является эффект Зеебека.

---

Цель работы: найти чувствительность и определить материалы термопары.

1 Теоретические основы

1.1 Принцип работы термопары

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебека, который является одним из основных термоэлектрических явлений. Термоэлектрические явления – совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах (термо-ЭДС.). В простейшем случае, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термопарой.

Величина термо-ЭДС зависит только от температур горячего T1 и холодного T2 контактов и от материала проводников. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Схема термопары представлена на рисунке 1.

Термо-ЭДС материала чувствительна к микроскопическим количествам примесей, к ориентации кристаллических зёрен и обработке материала. По этой же причине термо-ЭДС может возникнуть в цепи, состоящей из одного и того же материала при наличии температурных перепадов, если разные участки цепи подвергались различным технологическим операциям. Однако ЭДС термопары не меняется при последовательном включении в цепь любого количества других материалов, если появляющиеся при этом дополнительные места контактов поддерживают при одной и той же температуре.

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2 [1].



Рисунок 1 – Схема измерительного прибора, где 1 – измерительный прибор; 2, 3 – электроды; 4 – соединительные провода; T1 и Т2 – температура «горячего» и «холодного» спаев

---

На рисунке 1 показана типичная схема включения термопары с нетермостатированным "холостым" контактом, когда температура Т2 равна температуре окружающей среды. Термо-ЭДС ε термопары в небольшом интервале температур пропорциональна разности температур спаев (1):

(1)

где α₁₂ – коэффициент ТЭДС (величина ТЭДС возникающая при разности температур спаев в 1 К).

Коэффициент ТЭДС α₁₂ зависит от коэффициентов веществ электродов (2):

(2)

Коэффициенты ТЭДС различных веществ определяются по отношению к свинцу, для которого α_Pb = 0. Коэффициент ТЭДС может иметь как положительное, так и отрицательное значение и в общем случае зависит от температуры [1].

1.2 Эффект Зеебека и влияние температуры на распределение Ферми-Дирака в собственных и примесных полупроводниках

1) Эффект Зеебека объясняется тем, что средняя энергия электронов проводимости зависит от природы проводника и по-разному растёт с температурой. Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном. В полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растёт с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создаёт одну из составляющих ТЭДС, которую называют объёмной.

2) Распределение Ферми-Дирака определяет статистическое распределение заряженных частиц по энергетическим уровням системы, находящейся в термодинамическом равновесии. В статистике Ферми-Дирака среднее число частиц в состоянии с энергией есть (3):

---

(3)

где – среднее число частиц в состоянии ;

– энергия состояния ;

– химический потенциал (который равен при абсолютном нуле );

– число состояний с энергией ;

– постоянная Больцмана;

– абсолютная температура.

В идеальном случае (в ферми-газе) в пределе низких температур . В этом случае (полагая, что уровни энергии невырожденные, ), функция распределения частиц называется функцией Ферми (4):

(4)

В собственном полупроводнике положение уровня Ферми не зависит от температуры. Объясняется это тем, что процессы, определяющие проводимость собственного полупроводника, не меняют своего характера при изменении температуры. Конечно, с ростом температуры и увеличением энергии теплового возбуждения электроны будут переходить на всё более высокие уровни зоны проводимости, достаточно удаленные от её дна. Однако одновременно с этим тепловое возбуждение будет переводить в зону проводимости электроны, располагающиеся на наиболее глубоких уровнях валентной зоны. Поэтому средняя энергия носителей заряда, принимающих участие в проводимости, остается неизменной, и уровень Ферми в собственном полупроводнике независимо от температуры сохраняет своё положение в середине запрещённой зоны.

---

Иная картина наблюдается в примесных полупроводниках. Уровень μ в донорном полупроводнике при низких температурах располагается в запрещенной зоне на расстоянии от дна зоны проводимости, а с ростом температуры на смену примесной проводимости приходит собственная проводимость. Это и является причиной изменения положения уровня μ. В области низких температур наличие у электронного полупроводника проводящих свойств обусловлено переходами электронов в зону проводимости с донорных уровней. Поэтому и уровень Ферми расположен посередине между примесным уровнем и дном зоны проводимости. По мере повышения температуры происходит, истощение примесей, а при (температуре истощения, при которой все электроны с донорного уровня оказываются переведенными в зону проводимости) донорный уровень оказывается практически пустым. Но в этой области температур на смену переходам в зону проводимости с донорного уровня все в большей степени приходят переходы из валентной зоны – начинает проявляться собственная проводимость. При высоких температурах, когда ( называется температурой перехода к собственной проводимости) проводимость полупроводника практически полностью определяется переходами электронов из валентной зоны, из-за чего и средняя энергия электронов проводимости становится равной ( – энергия запрещённой зоны, а знак «минус» означает, что положительные значения энергии от дна зоны проводимости откладываются вверх). Уровень μ в этих условиях занимает положение в середине запрещенной зоны. Таким образом, по мере роста температуры уровень Ферми в электронном полупроводнике изменяет своё положение от до (рисунок 2).



Рисунок 2 – Зависимость уровня Ферми от температуры

1.3 Влияние фононов и контактная разность потенциалов

1) Фонон – квант колебательного движения атомов кристалла. Колебания атомов кристалла благодаря взаимодействию между ними распространяются по кристаллу в виде волн. Рассеяние электронов проводимости при взаимодействии с фононами – основной механизм электросопротивления металлов и полупроводников. В металлах концентрация электронов проводимости велика и не зависит от температуры. Энергия электронов также почти не зависит от температуры, поэтому ТЭДС металлов очень мала. Сравнительно больших значений достигает ТЭДС в полуметаллах и их сплавах, где концентрация носителей значительно меньше и зависит от температуры, а также в некоторых переходных металлах и их сплавах. В последнем случае концентрация электронов велика. Однако ТЭДС велика из-за того, что средняя энергия электронов проводимости сильно отличается от энергии Ферми. Иногда быстрые

---