Файл: ЛабФиз2.1-7.doc

dF_p = dp·dS = kTdn·dS,

где к - постоянная Больцмана; Т – температура спая, перепад концентраций электронов.

Под действием этой силы электроны переходят из металла с большей концентрацией в металл с меньшей концентрацией. Этот переход приводит к появлению разности потенциалов dφ, электрическое поле которой будет препятствовать переходу электронов. Сила электрического поля, действующая на электроны в объеме dV, равна

dF_е = eE·dN = e·n dldS = en·dφdS,

где Е – напряженность контактного поля;dN – число электронов в объеме dV; е – заряд электрона; n – концентрация электронов в объеме dV.

Динамическое равновесие установится при равенстве сил dF_p и dF_е:

kTdn· dS = en·dφdS,

откуда следует

dφ = .( 4 )

Контактную разность потенциалов Δφ′′, обусловленную различием концентраций электронов и называемую внутренней, получим интегрированием выражения (4):

Δφ′′ = , ( 5 )

где n₁,n₂ – концентрация электронов в первом и втором металле.

Полная контактная разность потенциалов является суммой Δφ′ и Δφ′′:

Δφ = Δφ′ + Δφ′′ = +( 5 )

Численные оценки значений этих слагаемых показывают, что Δφ′ >> Δφ′′, однако, именно Δφ′′ делает контактную разность потенциалов зависящей от температуры, т.к. работа выхода слабо зависит от температуры.

Рассмотрим замкнутую цепь из двух разнородных металлов Ме1 и Ме2 (рис.3), отличающихся работой выхода свободных электронов (A₁ > A₂) и их концентраций (n₁> n₂). Спаи А и В могут находиться при одинаковых температурах (Т₁=Т₂) или при разных температурах (например Т₂ > Т₁). Запишем уравнения Кирхгофа для обоих случаев. При одинаковых температурах согласно (5) контактные разности потенциалов спаев Δφ_А и Δφ_В одинаковы по величине и имеют разные знаки. Сумма разностей потенциалов по контуру замкнутой цепи оказывается равной нулю, т.е. в цепи отсутствует ЭДС.

---

Иначе обстоит дело при не равной температуре спаев:

Δφ_А + Δφ_В = +++=

= =ε_Т. ( 6 )

Сумма разностей потенциалов по контуру замкнутой цепи оказывается не равной нулю, т.е. в цепи присутствует ЭДС, которую называют термоэлектродвижущей силой или термоЭДС.

В последней формуле, обозначая все перед разностью температур буквой С, получим, что термоЭДС пропорциональна разности температур спаев

ε_Т = С (T₁– T₂), ( 7 )

где C – постоянная термопары.

Возникновение ЭДС в спаях из разнородных металлов за счёт разности их температур называется явлением Зеебека.

Описание установки

На рисунке 4 приведена электрическая схема экспериментальной установки. Провод Х изготовлен из хромеля, А – из алюмеля. В разорванную часть провода А включены микроамперметр и магазин сопротивлений. Первый спай помещён в сосуд с водой, температура Т₁ которой в течении опыта не изменяется. Второй спай помещают в сосуд с водой, подогреваемый электроплиткой. При нагревании в спаях возникает термоэлектродвижущая сила, которая создаёт в цепи ток, измеряемый микроамперметром.

Если в магазине R установить сопротивление равное нулю, то термоЭДС создаст в цепи ток, равный

I₁= /R₀ ( 8 )

где R₀ – общее сопротивление микроамперметра, термопары и подводящих проводов.

Если, не изменяя температуры спаев, в магазине R установить сопротивление R, то ток станет равным

I₂= /(R₀+R), ( 9 )

Исключив из полученных уравнений (8) и (9) сопротивление R₀, найдём термоЭДС:

 = . (10)

---

---

Порядок выполнения измерений

1. Собрать цепь согласно рис. 2. В магазине R установить сопротивление, равное нулю.

2. Включить электроплитку.

3. Снять показания микроамперметра I₁ при R = 0 и I₂ при заданном значении R при температурах от 20⁰С до 100⁰С через каждые 10⁰С.

4. Результаты измерений занести в разработанную таблицу.

Обработка результатов измерений

1. По формуле (10) вычислить значения термоЭДС в заданном интервале температур и занести в разработанную таблицу.

2. Зависимость ε_Т = С (T₁– T₂) обработать методом наименьших квадратов и определить постоянную термопары С как угловой коэффициент этой зависимости.

3. Построить график ε_Т = f(ΔT) - градуировочный график термопары в заданном интервале температур, указав коэффициент корреляции.

Контрольные вопросы

1. Что мешает свободному выходу электронов из металла?

2. Какими причинами обусловлена контактная разность потенциалов?

3. Почему контактная разность потенциалов зависит от температуры?

4. Как возникает термоЭДС?

5. Что такое постоянная термопары? Каков её физический смысл?

6. Где находят применение термопары?

Приложение

Таблица № 1

№ п/п	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
№ резисторов	1,2	3,4	5,6	7,8	9,10	10,2	9,3	8,4	7,5	6,4	5,9	3,7

---

Таблица № 2

№ п/п	Сопротивления R, Ом
1	1, 3, 5, 6, 7, 9, 11
2	2, 4, 6, 8, 10, 11, 12
3	1, 3, 4, 6, 8, 9, 10
4	2, 3, 5, 7, 9, 10, 12
5	1, 2, 5, 6, 8, 9, 11
6	2, 4, 6, 8, 9, 10, 12

Таблица № 3

№ п/п	Сопротивления R2, Ом
1	2500, 2700, 3000
2	2400, 2600, 2800
3	2600, 2700, 3100
4	2700, 2900, 3200
5	3000, 3200, 3300
6	2800, 3000, 3200

Список рекомендуемой литературы

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М .:Высш. шк., 1990.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3-х т. Т. 2. М.: Наука, 1982.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высш. щк.,1989.

4. Практикум по физике.Электричество и магнетизм/ Под ред.Т.А.Николаева. М.: Высш. шк.,1991.

О Г Л А В Л Е Н И Е

Лабораторная работа № 2.1. Исследование электрического поля ………….

Лабораторная работа № 2.2. Изучение электрических свойств

сегнетоэлектриков ……………………………………………………………………

Лабораторная работа № 2.3. Измерение сопротивлений с помощью

мостика Уитстона ……………………………………………………………………

Лабораторная работа № 2.4. Измерение мощности, развиваемой в

цепи постоянного тока, и КПД в зависимости от нагрузки ……………………..

---