Явление Томсона

Явление Томсона

Явление Томсона

Определение 1

Неравномерно нагретый проводник (полупроводник) ведет себя как система физически разных проводников (полупроводников), которые находятся в контакте.

Томсон пришел к заключению и подтвердил это эмпирически, что на границах таких участков происходит выделение (поглощение) теплоты Пельтье.

Такое явление было названо явлением Томсона, а теплота, которая выделяется на границах этих участков, называется теплотой Томсона. Эффект Томсона объясняется изменением свойств проводников при нагревании.

Первоначально однородный проводник при неравномерном нагреве превращается в неоднородный. Значит, явление Томсона, по своей сути, является эффектом Пельтье. Только неоднородность в данном случае вызывается не химическим различием состава вещества, а градиентом температуры.

Классическая электронная теория проводимости явление Томсона объясняет довольно просто. Допустим, что у нас имеется полупроводник с электронной проводимостью. Градиент температуры направлен от точки 2 к точке 1 ($T_1>T_2$). Вследствие диффузии концентрация электронов в точке 1 становится меньше, чем в точке 2.

Так, возникнет электрическое поле ($\overrightarrow{E}$), которое направлено от точки 1 к точке 2 (против направления $grad(T)$). Если вдоль проводника течет ток, в направлении $grad(T)$, то поле будет замедлять электроны, температура участок 1 2 станет уменьшаться. Если ток течет в обратном направлении, то участок проводника 1 2 будет нагреваться.

В дырочном проводнике ситуация будет обратной. Ситуация представится так, как будто на обычный поток тепла, который вызывается теплопроводностью, накладывается дополнительный поток теплоты, который связан с течением тока. В дырочных полупроводниках дополнительный поток теплоты имеет направление такое же, как направление тока.

В электронных полупроводниках направления тока и теплоты потока тепла противоположны.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Примечание 1

Эффект Томсона считают положительным, если ток, который течет в направлении градиента температуры вызывает повышение температуры вещества.

Дифференциальная и интегральная формы уравнения для эффекта Томсона

Допустим, что $Q_T$- тепло Томсона, которое выделятся за время t в объеме проводника равном $V$. В таком случае количество теплоты, которое выделяется в единице объема на единицу времени ($\frac{Q_T}{Vt}$) может быть представлено как:

где$\ \sigma $ — коэффициент Томсона. Этот коэффициент зависит от вещества, его состояния, например от температуры. Выражение (1) называют дифференциальной формой уравнения, которое описывает явление Томсона.

Рассмотрим проводник длиной $\triangle x$, и сечением $S$. Концы этого проводника имеют маленькую разность температур $\triangle T$. Так как $\triangle T$ считаем небольшой, то мы в праве не учитывать зависимость $\sigma $ от температуры. Можно записать, что объем проводника равен:

Полная сила тока ($I$) равна:

где $j$ — плотность силы тока, а

Тогда выражение (1) можно записать как:

Формула $Q_T=\sigma \triangle TIt$ представляет собой интегральную форму уравнения, которое описывает явление Томсона. Она дает полное количество теплоты Томсона, которое выделяется во всем рассматриваемом отрезке проводника.

Тепло $Q_T>0$, если оно выделяется. Положительным направлением тока принимают направление от холодного к горячему (направление градиента температур).

Величина коэффициента Томсона очень небольшая. Так для висмута она равна примерно $\sigma \sim {10}{-5}\frac{В}{К}$.

Явление Томсона возникает потому, что в проводнике с током существует поток энергии, которая пропорциональна плотности тока. При существовании градиента температур в проводнике присутствует еще поток энергии, вызванный теплопроводностью, однако он от тока не зависит, его часто не учитывают.

Пример 1

Задание: Получите, выражение для энергии Томсона, исходя из потоков энергии, которая возникает при градиенте температур в проводнике. Поток энергии, который вызван теплопроводностью, можно не учитывать.

Решение:

Рассмотрим в однородном проводнике очень тонкий слой, ограниченный плоскостями $x=const\ и\ x+dx=const\ $единичной площади. Тогда его объем равен $dx$. Пусть электроны перемещаются вдоль оси X.

Температуры на выбранных плоскостях равны $Tи\ T+dT$, потоки энергии через эти плоскости равны $Pи\ P+dP.$ Значит, в каждый момент времени в объем будет входить энергия равная $P$ и выходить — энергия $P+dP.

$ Тогда, в единице энергии объема будет выделяться энергия, равная:

\[\frac{Q_T}{Vt}=\frac{P\left(x\right)-P(x+dx)}{dx}=-\frac{dP\left(x\right)}{dx}\ \left(1.1\right).\]

Рисунок 1.

Если $\left\langle E_k\right\rangle -\ $средняя кинетическая энергия для N электронов, потенциальная энергия электрона равна ${-q}_e\varphi $, тогда поток энергии равен:

\[P=-\frac{j}{q_e}\left(\left\langle E_k\right\rangle {-q}_e\varphi \right)\left(1.2\right).\]

Подставим выражение (1.2) вместо $P$ в формулу (1.1), получим:

\[\frac{Q_T}{Vt}=\frac{j}{q_e}\frac{d\left\langle E_k\right\rangle }{dx}-j\frac{dц}{dx}\ \left(1.3\right),\]

где $-\frac{d\varphi }{dx}=E$ — напряженность электрического поля. Можно записать, следующее:

\[\frac{d\left\langle E_k\right\rangle }{dx}=\frac{d\left\langle E_k\right\rangle }{dT}\frac{dT}{dx}\left(1.4\right).\]

Из (1.3), применяя (1.4) запишем:

\[\frac{Q_T}{Vt}=\frac{j}{q_e}\frac{d\left\langle E_k\right\rangle }{dT}\frac{dT}{dx}-jE\ \left(1.5\right),\]

где $jE$ — тепло Джоуля — Ленца в единице объема и в единицу времени. Первое слагаемое в выражении (1.5) есть тепло Томсона так же в единице объема и единицу времени.

Ответ: $\frac{Q_T}{Vt}=\frac{j}{q_e}\frac{d\left\langle E_k\right\rangle }{dT}\frac{dT}{dx}$.

Пример 2

Задание: Клаузиус применил к явлениям термоэлектричества принципы термодинамики. Он рассматривал термопару, горячий спай ее поддерживался при температуре $T_1$, холодный при температуре $T_2$.

Он считал, что при прохождении тока I в спае 1 за 1 с выделяется теплота Пельтье, в спае 2 поглощается теплота Пельтье, выделяется джоулево тепло. Вычислял термоэлектродвижущую силу, получал результат, который не согласовывался с экспериментом.

Объясните почему? Считайте, что разность температур $T_1-T_2\to 0.$ Чему равен коэффициент термоэлектродвижущей силы?

Решение:

Проблема Клаузиуса заключалась в том, что он не учел эффект Томсона и соответствующую теплоту. Если учесть, что $T_1-T_2$- мала, ветви термопары короткие, то в первой ветви выделится теплота Томсона равная:

\[Q_{T1}={\sigma }_1I\left(T_1-T_2\right)\left(2.1\right).\]

Во второй ветви поглотится количество теплоты равное:

\[Q_{T2}={\sigma }_2I\left(T_1-T_2\right)\left(2.2\right).\]

Если это учесть, то равенство Клаузиуса можно записать как:

\[\frac{П_1}{T_1}-\frac{П_2}{T_2}+\left(\frac{{\sigma }_1}{T_1}-\frac{{\sigma }_2}{T_2}\right)\left(T_1-T_2\right)=0\left(2.3\right),\]

где $П_1,\ П_2$ — теплота Пельтье. Перейдем к дифференциальной форме, учтем, что $\left(T_1-T_2\right)$ — мала, получим:

\[\frac{d}{dT}\frac{П}{T}=\frac{{\sigma }_2-{\sigma }_1}{T}\left(2.4\right)или\] \[\frac{П}{T}-\frac{dП}{dT}={\sigma }_1-{\sigma }_2\left(2.5\right).\]

Тогда первое начало даст выражение:

\[П_1-П_2+\left({\sigma }_1-{\sigma }_2\right)\left(T_1-T_2\right)=\alpha \left(T_1-T_2\right)\left(2.6\right).\]

Из (2.6) следует, что:

\[\frac{dП}{dT}+\left({\sigma }_1-{\sigma }_2\right)=\alpha \left(2.7\right).\]

Из (2.5) и (2.7) получим, что:

\[П=\alpha T\to \alpha =\frac{П}{T}.\ \left(2.8\right),\]

где коэффициент термоэлектродвижущей силы $\alpha $ — не является постоянной величиной.

Ответ: $\alpha =\frac{П}{T}.$

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/yavlenie_tomsona/

Термоэлектрические явления

Явление Томсона

Термоэлектрические явления, совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Т. я. являются эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.

Зеебека эффект состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает эдс (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах. В простейшем случае, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термоэлементом, или термопарой.

Величина термоэдс зависит только от температур горячего T1и холодного T2 контактов и от материала проводников. В небольшом интервале температур термоэдс Е можно считать пропорциональной разности (T1 – T2), то есть Е = a(T1 –Т2).

Коэффициент a называется термоэлектрической способностью пары (термосилой, коэффициента термоэдс, или удельной термоэдс). Он определяется материалами проводников, но зависит также от интервала температур; в некоторых случаях с изменением температуры a меняет знак.

В таблице приведены значения а для некоторых металлов и сплавов по отношению к Pb для интервала температур 0—100 °С (положительный знак a приписан тем металлам, к которым течёт ток через нагретый спай).

Однако цифры, приведённые в таблице, условны, так как термоэдс материала чувствительна к микроскопическим количествам примесей (иногда лежащим за пределами чувствительности химического анализа), к ориентации кристаллических зёрен, термической или даже холодной обработке материала.

На этом свойстве термоэдс основан метод отбраковки материалов по составу. По этой же причине термоэдс может возникнуть в цепи, состоящей из одного и того же материала при наличии температурных перепадов, если разные участки цепи подвергались различным технологическим операциям. С др. стороны, эдс термопары не меняется при последовательном включении в цепь любого количества др. материалов, если появляющиеся при этом дополнительные места контактов поддерживают при одной и той же температуре.

Материалa, мкв/°СМатериалa, мкв/°С
Сурьма…………… Железо……..……Молибден ……….Кадмий …………..Вольфрам……..…Медь………………Цинк………………Золото……………Серебро …………Свинец……………Олово……………..Магний …………..Алюминий……….+43+15+7,6+4,6+3,6+3,2+3,1+2,9+2,70,0-0,2-0,0-0,4Ртуть……….……Платина………..Натрий …………Палладий ………Калий……………Никель………….Висмут………….Хромель………..Нихром…………Платинородий…Алюмель………..Константан……..Копель…………..-4,4-4,4-6,5-8,9-13,8-20,8-68,0+24+18+2-17,3-38-38

Пельтье эффект обратен явлению Зеебека: при протекании тока в цепи из различных проводников, в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество теплоты Qn, пропорциональное протекающему через контакт количеству электричества (то есть силе тока I и времени t): Qnlt. Коэффициент П зависит от природы находящихся в контакте материалов и температуры (коэффициент Пельтье).

  У. Томсон (Кельвин) вывел термодинамическое соотношение между коэффициентом Пельтье и Зеебека (a), которое является частным проявлением симметрии кинетического коэффициента (см.

Онсагера теорема): П = aТ, где Т — абсолютная температура, и предсказал существование третьего Т. я. — Томсона эффекта.

Оно заключается в следующем: если вдоль проводника с током существует перепад температуры, то в дополнение к теплоте Джоуля в объёме проводника выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, дополнительное количество теплоты Qt (теплота Томсона): Qt = t (T2— T1) lt, где t — коэффициент Томсона, зависящий от природы материала. Согласно теории Томсона, удельная термоэдс пары проводников связана с их коэффициентом Томсона соотношением: da/dT= (t1— t2)/ Т.

  Эффект Зеебека объясняется тем, что средняя энергия электронов проводимости зависит от природы проводника и по-разному растет 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 растет 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 термоэдс, которую называют объёмной.

  Вторая (контактная) составляющая — следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов. Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактная и объёмная термоэдс исчезают.

  Вклад в термоэдс даёт также эффект увлечения электронов фононами. Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении.

В результате столкновений с электронами фонолы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения; эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

  В металлах концентрация электронов проводимости велика и не зависит от температуры. Энергия электронов также почти не зависит от температуры, поэтому термоэдс металлов очень мала.

Сравнительно больших значений достигает термоэдс в полуметаллах и их сплавах, где концентрация носителей значительно меньше и зависит от температуры, а также в некоторых переходных металлах и их сплавах (например, в сплавах Pd с Ag термоэдс достигает 86 мкв/°С). В последнем случае концентрация электронов велика.

Однако термоэдс велика из-за того, что средняя энергия электронов проводимости сильно отличается от энергии Ферми. Иногда быстрые электроны обладают меньшей диффузионной способностью, чем медленные, и термоэдс в соответствии с этим меняет знак. Величина и знак термоэдс зависят также от формы поверхности Ферми.

В металлах и сплавах со сложной Ферми поверхностью различные участки последней могут давать в термоэдс вклады противоположного знака и термоэдс может быть равна или близка к нулю. Знак термоэдс некоторых металлов меняется на противоположный при низких температурах в результате увлечения электронов фононами.

  В дырочных полупроводниках на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем — остаётся нескомпенсированный отрицательный заряд (если только аномальный механизм рассеяния или эффект увлечения не приводят к перемене знака термоэдс).

В термоэлементе, состоящем из дырочного и электронного полупроводников, термоэдс складываются. В полупроводниках со смешанной проводимостью к холодному контакту диффундируют и электроны и дырки, и их заряды взаимно компенсируются.

Если концентрации и подвижности электронов и дырок равны, то термоэдс равна нулю.

  В условиях, когда вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, причём направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, при переходе из более горячего сечения в более холодное, электроны передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота), а при обратном направлении тока, проходя из более холодного участка в более горячий, пополняют свою энергию за счёт окружающих атомов (теплота поглощается). Этим и объясняется (в первом приближении) явление Томсона. В первом случае электроны тормозятся, а во втором — ускоряются полем термоэдс, что изменяет значение t, а иногда и знак эффекта.

  Причина возникновения явления Пельтье заключается в том, что средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, зависит от их энергетического спектра (зонной структуры материала), концентрации электронов и механизма их рассеяния, и поэтому в разных проводниках различна.

При переходе из одного проводника в другой электроны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счёт (в зависимости от направления тока). В первом случае вблизи контакта выделяется, а во втором — поглощается теплота Пельтье.

Рассмотрим случай, когда направление тока соответствует переходу электронов из полупроводника в металл.

Если бы электроны, находящиеся на примесных уровнях полупроводника, могли бы точно так же перемещаться под действием электрического поля, как электроны проводимости, и в среднем энергия электронов равнялась бы энергии Ферми в металле, то прохождение тока через контакт не нарушало бы теплового равновесия (Qn = 0).

Но в полупроводнике электроны на примесных уровнях локализованы, а энергия электронов проводимости значительно выше уровня Ферми в металле (и зависит от механизма рассеяния). Перейдя в металл, электроны проводимости отдают свою избыточную энергию; при этом и выделяется теплота Пельтье.

При противоположном направлении тока из металла в полупроводник могут перейти только те электроны, энергия которых выше дна зоны проводимости полупроводника. Тепловое равновесие в металле при этом нарушается и восстанавливается за счёт тепловых колебаний кристаллической решётки. При этом поглощается теплота Пельтье. На контакте двух полупроводников или двух металлов также выделяется (или поглощается) теплота Пельтье вследствие того, что средняя энергия участвующих в токе электронов по обе стороны контакта различна.

  Таким образом, причина всех Т. я. — нарушение теплового равновесия в потоке носителей (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от энергии Ферми). Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей; поэтому в полупроводниках они в десятки и сотни раз больше, чем в металлах и сплавах.

  Лит.: Жузе В. П., Гусенкова Е. И., Библиография по термоэлектричеству, М.— Л., 1963; Иоффе А. Ф., Полупроводниковые термоэлементы, М.— Л., 1960; Займан Дж., Электроны и фононы, пер. с англ., М., 1962; Попов М. М., Термометрия и калориметрия, 2 изд., М., 1954; Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967.

  Л. С. Стильбанс.

Оглавление

Источник: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/110/157.htm

Эффект пельтье

Эффектом Пельтье называется явление выделения или поглощения дополнительной теплоты, помимо джоулева тепла, в контакте двух различных проводников в зависимости от направления, по которому течет электрический ток.

Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека.

Если джоулево тепло прямопропорционально квадрату силы тока, то теплота Пельтье прямо пропорциональна силе тока в первой степени и меняет свой знак при перемене направления тока.

Рис. 3

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух различных металлических проводников, по которой течет ток I΄ (Рис. 3). Пусть направление тока I΄ совпадает с направлением тока I, показанного на рис. 2 для случая ТВ >ТА . Контакт А, который в эффекте Зеебека имел бы более высокую температуру, теперь будет охлаждаться, а контакт В – нагреваться. Величина тепла Пельтье определяется соотношением:

Q = П I / t ,

где I΄ – сила тока, t – время его пропускания, П – коэффициент Пельтье, который зависит от природы контактирующих материалов и температуры.

Из-за наличия контактных разностей потенциалов в точках А и В возникают контактные электрические поля с напряженностью Er . В контакте А это поле совпадает с направлением

движения электронов, а в контакте В электроны движутся против поля Er . Так как электроны заряжены отрицательно, то в контакте В они ускоряются, что приводит к увеличению их кинетической энергии. При столкновениях с ионами металла эти электроны передают им энергию. В результате повышается внутренняя энергия в точке В и контакт нагревается. В

точке А энергия электронов наоборот уменьшается, поскольку поле Er тормозит их. Соответственно контакт А охлаждается, т.к. электроны получают энергию от ионов в узлах кристаллической решетки.

Эффект томсона

Эффект Томсона состоит в том, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику происходит дополнительное выделение или поглощение теплоты, аналогично тому, как это имеет место в эффекте Пельтье.

Поскольку различные участки проводника нагреты неодинаково, то и их физические состояния различаются. Неравномерно нагретый проводник ведет себя как система находящихся в контакте физически разнородных участков.

В более нагретой части проводника энергия электронов выше, чем в менее нагретой. Поэтому в процессе движения они отдают часть своей энергии ионам металла в узлах кристаллической решетки. В результате происходит выделение тепла.

Если же электроны движутся в область, где температура выше, то они увеличивают свою энергию за счет энергии ионов, и металл охлаждается.

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Эффект Зеебека широко используется в устройствах для измерения температуры и устройствах прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Простейшее такое устройство состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2.

Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой), составляющие термопару проводники – электродами, места их соединения – спаями. На рис.4 представлены типичные схемы включения термопары.

а) б)

Рис.4. Типичные схемы включения термопары

На рис.4а измерительный прибор 1 подключен с помощью соединительных проводов 2 в разрыв одного из термоэлектродов М1. Это типичная схема включения термопары с термостатированным контактом, когда температура одного из спаев поддерживается постоянной (обычно при температуре тающего льда 273К).

На рис.4б измерительный прибор подключен к концам термоэлектродов М1 и М2; ТА и ТВ — температуры соответственно «горячего» и «холодного» контактов термопары. Это типичная схема включения термопары с нетермостатированным «холостым» контактом, когда температура ТВ равна температуре окружающей среды.

Термоэдс ε термопары в небольшом интервале температур пропорциональна разности температур спаев:

где αАВ — коэффициент т. э. д. с. (величина т. э. д. с., возникающая при разности

температур спаев в 1К).

α12 = dTdε или α12 = ∆∆Tε .

Коэффициент термоэдс α12 зависит от коэффициентов т. э. д. с. α1 и α2 веществ термоэлектродов:

α12 = α1 − α2 .

Коэффициенты т. э. д. с. различных веществ определяются по отношению к свинцу, для которого αPb = 0 . Коэффициент т. э. д. с. может иметь как положительное, так и

отрицательное значение и в общем случае зависит от температуры.

Для получения максимальной величины т. э. д. с. необходимо выбирать материалы с наибольшими коэффициентами т. э. д. с. противоположного знака.

При увеличении разности температур спаев т. э. д. с. будет изменяться не по линейному закону, поэтому перед тем, как измерять температуру при помощи термопары, ее градуируют.

Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от температуры жидкого гелия до нескольких тысяч градусов. Чтобы увеличить точность измерений, используют схему включения термопары с термостатированным контактом (рис.4а).

Термоэдс весьма чувствительна к наличию химических примесей в спае. Для предохранения рабочего спая термопары от внешних химических воздействий он может быть помещен в защитную химическую оболочку.

Для увеличения термоэдс, термопары последовательно соединяют в термобатареи. Все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а нечетные при другой. Термоэлектродвижущая сила такой батареи равна сумме т. э. д. с. ее отдельных элементов

(рис. 5).

Рис.5 Термобатарея

Миниатюрные термобатареи, составленные из тончайших полосок двух различных материалов, применяются для регистрации нагретых тел и измерения испускаемого ими электромагнитного излучения.

В соединении с чувствительным гальванометром или электронным усилительным устройством они могут обнаружить, например, тепловое излучение человеческой руки на расстоянии в несколько метров.

Высокая чувствительность термобатарей позволяет использовать их в качестве датчиков устройств сигнализации повышения температуры.

Термобатареи используются и как генераторы электрического тока. Они просты по устройству и не содержат механических движущихся частей. Однако использование металлических термоэлементов в качестве генераторов малоэффективно, поэтому для преобразования тепловой энергии в электрическую используются полупроводниковые материалы.

Поскольку эффект Пельтье связан с процессами выделения и поглощения тепла, он применяется в устройствах для охлаждения (холодильниках).

3.ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ

Для градуировки используют заранее известные с высокой точностью значения температуры (например, температура таяния льда, кипения воды, плавления чистых металлов).

При градуировке холодный спай термопары термостатируется в сосуде Дьюара с тающим льдом (т.е. поддерживается при температуре 00С), а второй спай поочередно погружается в ванны с известной температурой.

Результаты градуировки представляются в виде градуировочной таблицы или графика зависимости т. э. д. с. от температуры.

ПРИЛОЖЕНИЕ

КВАНТОВОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ Т. Э. Д. С.

Возникновение термоэлектродвижущей силы обусловлено тремя причинами:

1. температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей т. э. д. с.;

2.диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть т. э. д. с.;

3.процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую

–фононную.

Рассмотрим первую причину Максимальная кинетическая энергия электронов проводимости в металле при 0К

называется энергией Ферми. Уровень Ферми при абсолютном нуле и концентрация электронов проводимости связаны между собой соотношением:

E f (0) =h2(3π 2 n)2 / 3(П1),
8π 2 m

где h – постоянная Планка, m – масса электрона, n – концентрация электронов проводимости.

У разнородных металлов концентрация электронов проводимости неодинаковые, поэтому будут различны и уровни Ферми EF1 и EF2. Пусть концентрация n2 в металле М2 больше концентрации n1 в металле M1. Рассмотрим энергетические диаграммы двух проводников М1 и М2 , расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (рис. П1а).

Пусть W0 – энергия покоящегося свободного электрона в вакууме, где его потенциальная энергия равна нулю. Тогда, относительно этого уровня потенциальная энергия электрона проводимости в металле определяется его внутренней потенциальной энергией еφ и эффективной работой выхода А, а кинетическая энергия зависит от температуры и уровня Ферми.

Полную энергию электрона в металле обозначим EF + еφ

Если металлы М1 и М2 привести в контакт (рис. П1 б, в), начнется диффузия электронов, в процессе которой электроны будут переходить из металла 2 в металл 1, так как n1

Источник: https://studfile.net/preview/4296410/page:2/

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/4-26626.html

Booksm
Добавить комментарий