Градуювання термопари і визначення її термоелектрорушійної сили

Вступ

В зв’язку з бурхливим розвитком в наш час електронних засобів комунікації особливо важливе значення в системі знань і умінь майбутніх інженерів посідає вивчення фізики напівпровідників. Робота будь-якого електронного приладу базується на фізичних законах і явищах, які відбуваються в царині напівпровідникових матеріалів. Для більш глибокого засвоєння студентами суті цих законів і явищ і формування в них навиків використовувати їх в своїй практичній діяльності і призначений даний практикум. В практикумі значне місце відводиться принципу, ідеї фізичного експерименту. Він націлює студентів на те, щоб вони самі стали для себе першовідкривачами тих чи інших законів. Студент повинен добре розуміти, навіщо досліджується дане фізичне явище, як його дослідити, як оформити результати проведених дослідів, та як оцінити похибки експерименту.

Слід зазначити, що в наш час прогрес майже в усіх галузях науки і техніки багато в чому обумовлений успіхами напівпровідникової електроніки. Тому знання основ технічної електроніки необхідні інженерові будь-якої спеціальності. Особливо важливо уявити можливості сучасної напівпровідникової техніки для вирішення наукових та виробничих завдань в тій чи іншій галузі. Багато задач керування, вимірювання, інтенсифікації технологічних процесів, що виникають в різних галузях техніки, можуть бути успішно розв’язані спеціалістами, знайомими з основами напівпровідникового матеріалознавства.

Практикум містить 6 лабораторних робіт. В кожній роботі дається виклад теорії та вказана методика і послідовність виконання роботи, а також додається перелік запитань для перевірки засвоєних знань.

Метою даного лабораторного практикуму є знайомство з фізичними основами, принципами дії та параметрами напівпровідникових приладів, набуття навиків їх використання для вирішення виробничих завдань.

Лабораторна робота №85

 

ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАРИ І ВИЗНАЧЕННЯ ЇЇ ТЕРМОЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ

 

Мета роботи: ознайомитись з термоелектричними явищами.

Прилади і матеріали: термопара, термометри, термостійкі посудини, електронагрівна спіраль, мінеральне масло, мікровольтметр.

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Контактні явища в металах

Якщо два різнорідних метали привести в контакт, то між ними виникає контактна різниця потенціалів. Італійський фізик А. Вольта встановив, що якщо метали Al, Zn, Sn, Pb, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт у вказаній послідовності, то кожний попередній при дотику з одним із наступних зарядиться позитивно. Цей ряд металів називається рядом Вольта. А. Вольта експериментально встановив такі два закони:

1. Контактна різниця потенціалів між двома металами залежить тільки від хімічного складу і температури контактуючих металів.

2. Контактна різниця потенціалів послідовно з’єднаних різних провідників при однаковій температурі не залежить від хімічного складу проміжних провідників і рівна контактній різниці потенціалів, яка виникає при безпосередньому з’єднанні крайніх провідників.

Для пояснення явища виникнення контактної різниці потенціалів розглянемо контакт двох металів з різними роботами виходу А₁ і А₂ електронів, тобто з різними положеннями рівнів Фермі (верхніх заповнених електронами енергетичних рівнів). Якщо А₁ < А₂, то рівень Фермі в металі 1 вищий, ніж в металі 2-

(рис. 85.1а). Таким чином, при контакті цих металів електрони з більш високих рівнів металу 1 будуть переходити на більш низькі рівні металу 2. При цьому метал 1 зарядиться позитивно, а метал 2 – негативно. Одночасно відбувається відносне зміщення енергетичних рівнів: в металі 1, який заряджений позитивно – вниз, а в металі 2, який заряджений негативно – вверх. Цей процес буде проходити до тих пір, доки між контактуючими металами не встановиться рівновага, яка характеризується спів паданням рівнів Фермі в

 

Рисунок 85.1

 

 

обидвох металах (рис. 1б). Оскільки в контактуючих металах рівні Фермі співпадають, а роботи виходу А­₁ і А₂ електронів не змінюються, то потенціальна енергія електронів в точках А і В (рис. 85.1б) буде різною, тобто між точками А і В виникне різниця потенціалів

, (85.1)

де е – заряд електрона. Ця різниця потенціалів Δφ' називається зовнішньою контактною різницею потенціалів.

Якщо рівні Фермі E_F1і E_F2для контактуючих металів не однакові, то між внутрішніми точками в цих металах існує внутрішня контактна різниця потенціалів, рівна

. (85.2)

В квантовій теорії доводиться, що причиною виникнення внутрішньої контактної різниці потенціалів є різна концентрація електронів в контактуючих металах, а її величина пропорційна температурі Т в контакті металів:

, (85.3)

де к – стала Больцмана; n₁ і n₂ – концентрації електронів в металах 1 і 2 відповідно. Повна контактна різниця потенціалів в контактуючих металах:

. (85.4)

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Якими причинами обумовлена контактна різниця потенціалів на межі стику двох металів?

2. З яких складових частин складається контактна різниця потенціалів?

3. Від чого і як залежить зовнішня контактна різниця потенціалів?

4. Від чого і як залежить внутрішня контактна різниця потенціалів?

5. Поясніть утворення контактної різниці потенціалів на основі зонної теорії твердого тіла.

6. Які явища називають термоелектричними?

7. Що таке ефект Зеебека? Які умови необхідні для його виникнення?

8. Що таке явище Пельтьє і як воно відбувається?

9. Що таке явище Томсона і які процеси в провіднику при цьому відбуваються?

10. Що є причиною виникнення термоелектрорушійної сили і від чого залежить її величина?

11. Що являє собою термопара?

12. Яке практичне застосування термопари?

13. Які основні переваги термопари перед звичайним термометром?

14. Що таке диференціальна термоелектрорушійна сила?

15. Від чого і як залежить величина диференціальної термоелектричної сили?

16. Фізичний зміст диференціальної термоелектричної сили.

 

Лабораторна робота №88

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

1. Зібрати електричну схему згідно рис. 88.9.

2. Встановити повзунок потенціометра ПТ в положення, яке відповідає найменшій напрузі.

3. Ввімкнути селеновий випрямляч, для чого перемикач ПК ввімкнути на клеми 1-2, а ключ К – на клему 5.

4. Пересуваючи повзунок потенціометра ПТ, збільшувати напругу через 0,5 В, записуючи при цьому покази вольтметра і міліамперметра.

5. Для зняття вольт-амперної характеристики при зворотному струмі ввімкнути перемикач ПК на клеми 3-4, поставивши заздалегідь повзунок потенціометра ПТ в положення, яке відповідає найменшій напрузі.

 

Рисунок 88.9

6. Пересуваючи повзунок потенціометра ПТ, збільшувати напругу через кожні 0,5 В, записуючи при цьому покази вольтметра і міліамперметра.

7. Аналогічно вимірювання (п.п. 2-6) провести для германієвого випрямляча, перемкнувши ключ К на клему 6.

8. Результати вимірювань і обчислень занести в таблицю.

 

Таблиця 88.1

№ п.п

Селеновий випрямляч

Германієвий випрямляч

Uпр, В

Іпр, А

Uзв, В

Ізв, А

α

Δα

Δα/α

Uпр, В

Іпр, А

Uзв, В

Ізв, А

α

Δα

Δα/α

 

9. За результатами вимірювань побудувати вольт-амперні характеристики для селенового і германієвого випрямлячів. Для цього по вісі абсцис відкладати значення напруги, а по вісі ординат – відповідні значення струму. Прямі значення напруг і струмів відкладати на додатних піввісях координат, а зворотні значення напруг і струмів – на від’ємних піввісях координат.

10. За формулою (88.1) розрахувати значення коефіцієнта випрямлення α для досліджуваних випрямлячів при різних значеннях напруги.

11. Визначити абсолютну і відносну похибки для коефіцієнта випрямлення і зробити висновок.

 

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Яка різниця між власними і домішковими напівпровідниками?

2. Які домішки у напівпровіднику називаються донорами? Навести конкретний приклад.

3. Які домішки у напівпровіднику називаються акцепторами? Навести конкретний приклад.

4. На основі зонної теорії твердих тіл пояснити електропровідність домішкового напівпровідника n-типу.

5. На основі зонної теорії твердих тіл пояснити електропровідність домішкового напівпровідника p-типу.

6. Які явища відбуваються на контакті двох напівпровідників різного типу провідності?

7. Що таке запірний шар? Чому він так називається?

8. Пояснити електропровідність запірного шару при прямому ввімкненні зовнішнього джерела струму.

9. Пояснити електропровідність запірного шару при зворотному ввімкненні зовнішнього джерела струму.

10. Що є причиною виникнення зворотного струму в напівпровідниковому випрямлячі?

11. Пояснити вольт-амперну характеристику напівпровідникового випрямляча.

12. Що таке коефіцієнт випрямлення напівпровіднико-вого випрямляча і від чого він залежить?

13. Де можуть використовуватись напівпровідникові випрямлячі, зокрема у Вашій спеціальності?

 

 

Лабораторна робота №89

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Зонна теорія твердого тіла

Розглянемо процес утворення кристала з ізольованих атомів. Якщо атоми перебувають на великих відстанях один від одного, то схеми їх енергетичних рівнів повністю ідентичні. При цьому їх заповнення електронами здійснюється в кожному атомі незалежно від заповнення аналогічних рівнів в інших атомах. При утворенні кристалу, по мірі зближення атомів між ними посилюється взаємодія, яка і обумовлює зміну положення енергетичних рівнів. Замість одного ідентичного рівня для всіх N атомів, які утворюють кристал, виникає N щільно розміщених підрівнів. Таким чином, кожний енергетичний рівень атома розширюється, зміщується і розщеплюється в кристалі на N дуже близьких підрівнів, які утворюють енергетичну зону.

Ступінь розширення зони для різних енергетичних рівнів не однакова. Більш інтенсивно збурюються рівні, заповнені в атомі зовнішніми (валентними) електронами. Тому відповідні енергетичні зони порівняно широкі. Рівні, заповнені внутрішніми електронами, які сильніше зв’язані з ядром, зазнають тільки незначних збурень від інших атомів, внаслідок чого їх енергетичні рівні в кристалі утворюють вузькі енергетичні зони. На рис. 89.1 показано розщеплення енергетичних дискретних рівнів ізольованих атомів і утворення енергетичних зон при зменшенні відстані r між сусідніми атомами. Із зонної схеми видно, що розщеплення рівнів, яке спостерігається для внутрішніх електронів, досить мале. Інтенсивно розщеплюються тільки вищі енергетичні рівні, зайняті зовнішніми валентними електронами.

 

Рисунок 89.1

 

Ступінь заповнення електронами енергетичних підрівнів у зоні визначається заповненням відповідного рівня в ізольованому атомі. Із незайнятих рівнів утворюються вільні енергетичні зони, із частково заповнених – частково заповнені енергетичні зони. В загальному випадку можна говорити про 3 типи енергетичних зон в твердому тілі: валентну зону, зону провідності (вільну зону) та заборонену зону. Валентна зона утворюється із енергетичних рівнів внутрішніх (зв’язаних) валентних електронів вільних атомів. Зона провідності (вільна зона) або частково заповнена електронами, або вільна і утворена із енергетичних рівнів зовнішніх “колектизованих” вільних електронів ізольованих атомів. Валентна зона I і зона провідності II є дозволеними і розділені забороненою зоною III (рис.89. 2).

 

Рисунок 89.2

 

В забороненій зоні електрони не можуть перебувати. Таким чином, заборонена зона – це сукупність значень енергії, яких не можуть набувати електрони в твердому тілі. Ширина енергетичних зон не залежить від розмірів кристала. Дозволені зони (валентна і вільна) тим ширші, чим слабший зв’язок валентних електронів із ядрами.

Зонна теорія твердого тіла дає змогу з єдиної точки зору пояснити існування металів, діелектриків і напівпровідників, інтерпретуючи відмінності їх електрофізичних властивостей неоднаковим заповненням електронами дозволених енергетичних зон та шириною забороненої зони. Відмінність між металами і діелектриками з точки зору зонної теорії полягає в тому, що при температурі T = 0K в зоні провідності металів є електрони, а в зоні провідності діелектриків вони відсутні. Різниця ж між діелектриками і напівпровідниками визначається шириною забороненої зони: для діелектриків вона досить широка (>1еВ), а для напівпровідників – досить вузька (<1еВ).

В залежності від внутрішньої будови твердого тіла рівноважна відстань між сусідніми атомами в кристалі може бути або типу r ₁ (для діелектриків і напівпровідників), або типу r ₂ (для металів) (рис. 89.1). При відстанях типу r ₁ між валентною зоною і зоною провідності існує заборонена зона. При відстанях типу r ₂ відбувається перекривання валентної зони і зони провідності, тобто немає забороненої зони. Зонну структуру енергетичного спектру твердого тіла можна отримати безпосередньо із розв’язку рівняння Шредінгера для електрона, який рухається в періодичному силовому полі кристалічної гратки.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

1. Ознайомитись з експериментальною установкою, зокрема з правилами користування цифровим омметром і логометром.

2. Підвищуючи температуру в пробірці від кімнатної до 70°С, записати покази омметра через кожні 5°С.

3. Побудувати графік залежності R = f ₁ (T) і зробити висновок.

4. Побудувати графік залежності ln R = f ₂(1/ T) і, використовуючи його, за формулою (89.7) обчислити енергію активації досліджуваного напівпровідника. При цьому звернути увагу, що температура виражається в кельвінах.

5. Використовуючи формулу (89.8), визначити відносну і абсолютну похибки енергії активації.

6. Результати вимірювань і обчислень занести в таблицю.

7. Зробити висновок.

 

Таблиця 89.1

№ п.п	T, К	R, Ом	, К^-1	ln R	Δ T, K	Δ R, Ом	А, Дж	Δ А, Дж

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Поясніть процес утворення енергетичних зон в твердому тілі.

2. Що таке валентна зона, зона провідності, заборонена зона?

3. Яка різниця між металами, напівпровідниками і діелектриками з точки зору зонної теорії твердого тіла?

4. Поясніть суть електронної і діркової провідності напівпровідників.

5. Чому дірки називають квазічастинками?

6. Поясніть залежність опору напівпровідників від температури.

7. Наведіть приклад практичного використання залежності опору напівпровідників від температури.

8. Виведіть робочу формулу для визначення енергії активації напівпровідника.

9. Як, користуючись експериментальними результатами дослідження температурної залежності опору напівпровідника, визначити його енергію активації?

10. Що таке рівень Фермі і які його особливості?

11. Які напівпровідники є власними і які їх особливості?

12. Де знаходиться рівень Фермі у власному напівпровіднику?

13. Що таке енергія активації напівпровідника?

14. Яким основним фактором визначається електропровідність напівпровідника?

 

 

Лабораторна робота №101

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Чутливість фоторезисторів

Залежність величини фотоструму i від прикладеної до фоторезистора напруги U при сталому світловому потоці Ф називається вольт-амперною характеристикою. Для зняття вольт-амперної характеристики фотоопору використовується експериментальна установка, зображена на рис. 101.2. Фоторезистор R_ф і освітлювач розміщені на оптичній лаві. На клеми фоторезистора R_ф подається різниця потенціалів U від джерела постійного струму ε.

Рисунок 101.2

 

Величина напруги регулюється пересуванням повзунка реохорда П і вимірюється вольтметром V. Струм i через фоторезистор R_ф вимірюється мікроамперметром μА. Фоторезистори мають лінійну вольт-амперну характеристику. Важливою характеристикою фоторезистора є питома інтегральна чутливість γ, яка рівна відношенню величини фотоструму i _ф до величини світлового потоку Ф, віднесеної до одиниці прикладеної до фоторезистора напруги U:

. (101.1)

Струм i через фоторезистор складається із темнового струму i _т і фотоструму i _ф:

, (101.2)

звідки величина фотоструму:

. (101.3)

Величина світлового потоку:

, (101.4)

де Е – освітленість фоторезистора, S – площа поверхні фоторезистора. Освітленість:

, (101.5)

де I – сила світла джерела освітлення, r – відстань від джерела світла до освітлюваної поверхні фоторезистора. Враховуючи (89.5), вираз (89.4) набуває вигляду:

. (101.6)

Підставивши вирази (101.3) і (101.6) у формулу (101.1), отримаємо:

. (101.7)

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. В чому полягає явище внутрішнього фотоефекту?

2. Пояснити будову та принцип дії фоторезистора.

3. Що таке темновий опір фоторезистора?

4. Що таку темновий струм і як його визначити?

5. Чому фоторезистори використовують в колах змінного струму невеликих частот?

6. Чим обумовлена велика інерційність фоторезисторів?

7. Які основні недоліки фоторезисторів?

8. Наведіть приклади практичного застосування фоторезисторів.

9. Що таке вольт-амперна характеристика фоторезистора?

10. Що таке питома інтегральна чутливість фоторезистора? Її фізичний зміст.

11. Як визначити величину фотоструму в фоторезисторі?

12. Від чого і як залежить світловий потік?

13. Виведіть формулу для визначення питомої інтегральної чутливості фоторезистора.

14. Пояснити, чому вольт-амперна характеристика фоторезистора виражається прямою лінією?

 

Лабораторна робота №102

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Вентильні фотоелементи

Вентильні фотоелементи використовуються для перетво-рення енергії випромінювання в електричну енергію. Вони є фотодіодами, які працюють без джерела зовнішньої напруги і створюють власну електрорушійну силу під дією випромінювання.

Проаналізуємо явища, які відбуваються на n-p-переході вентильного фотоелемента (фотоелемента зі запірним шаром) при попаданні на нього світла. Фотони, які попадають в область

n-p-переходу, обумовлюють генерацію рухомих зарядів. Електрони і дірки, які виникають в n- і p-областях, дифузують до переходу, і, якщо вони не встигли рекомбінувати, то попадають під дію внутрішнього електричного поля запірного шару. Це поле розділяє електрони і дірки. Для неосновних носіїв, наприклад, для електронів в p-області, поле запірного шару є прискорюючим. Аналогічно дірки перекидаються прискорюючим полем із n-області в p-область. Для основних носіїв, наприклад, дірок в p-області, електричне поле запірного шару є гальмуючим. Тому основні носії залишаються в своїх областях, тобто дірки залишаються в p-області, а електрони в n-області. В результаті таких процесів в n- і p-областях накопичуються надлишкові основні носії і виникає різниця потенціалів, яку називають фотоелектрорушійною силою. Із збільшенням світлового потоку фото е.р.с. зростає по нелінійному закону.

В даний час найбільш широкого застосування набувають кремнієві вентильні фотоелементи. Вони перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричну. Їх фото е.р.с. досягає 0.5В. Із таких елементів при їх послідовному і паралельному з’єднаннях створюють сонячні батареї, які мають порівняно високий к.к.д. і можуть розвивати потужність до декількох кВт. Сонячні батареї із кремнієвих фотоелементів – це основні джерела живлення на штучних супутниках Землі, космічних кораблях, автоматичних метеостанціях і ін. Практичне використання сонячних батарей набуває все більшого значення.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. В чому полягає явище вентильного фотоефекту?

2. Що таке фотоелектрорушійна сила і як вона виникає?

3. Пояснити конструктивні особливості і принцип дії селенового фотоелемента.

4. Що таке інтегральна чутливість вентильного фотоелемента і від чого вона залежить?

5. Вивести формулу для визначення інтегральної чутливості вентильного фотоелемента.

6. Де використовуються вентильні фотоелементи?

7. Чому у вентильному фотоелементі використовується плівка із золота, а не з іншого металу?

8. Де використовуються вентильні фотоелементи на основі селену і чому?

9. Що таке світловий потік, як його визначають і в яких одиницях він вимірюється?

10. Які основні недоліки вентильних фотоелементів?

11. Що являють собою сонячні батареї, яка їх будова і призначення?

 

Лабораторна робота №110

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

1. Пересуваючи повзунок реостата, змінювати вхідну напругу переходу “емітер-база”.

2. Покази вольтметрів U_Е і U_К занести в таблицю 1.

3. Побудувати графік залежності U_К = f (U_Е), відкладаючи значення U_Е по вісі абсцис, а значення U_К – по вісі ординат.

4. Вибрати значення приросту ΔU_Е, ΔU_к напруг на переходах “емітер-база” і “база-колектор” відповідно.

5. За формулою (110.5) визначити коефіцієнт підсилення α транзистора.

6. Визначити абсолютну Δα і відносну Δα/α похибки результату.

7. Зробити висновок.

 

Таблиця 110.1

№ п.п	UЕ, В	UК, В	ΔUЕ, В	ΔUК, В	α	Δα	Δα/α

 

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Для чого використовується напівпровідниковий тріод (транзистор)?

2. Принципова схема будови транзистора.

3. Охарактеризувати функціональні властивості електродів транзистора в порівнянні з функціями електродів лампового тріода.

4. Пояснити призначення джерел постійного струму і їх ввімкнення в електричну схему транзистора.

5. Пояснити принцип роботи транзистора у схемі ввімкнення із спільною базою.

6. Пояснити принцип роботи транзистора у схемі ввімкнення із спільним емітером.

7. Що таке коефіцієнт підсилення транзистора і як його визначити, використовуючи графік U_К = f (U_Е)?

8. Які суттєві переваги транзистора над ламповим тріодом?

9. Які недоліки має транзистор у порівнянні з ламповим тріодом?

10. Де може використовуватись напівпровідниковий тріод у Вашій спеціальності?

 

 

Вступ

В зв’язку з бурхливим розвитком в наш час електронних засобів комунікації особливо важливе значення в системі знань і умінь майбутніх інженерів посідає вивчення фізики напівпровідників. Робота будь-якого електронного приладу базується на фізичних законах і явищах, які відбуваються в царині напівпровідникових матеріалів. Для більш глибокого засвоєння студентами суті цих законів і явищ і формування в них навиків використовувати їх в своїй практичній діяльності і призначений даний практикум. В практикумі значне місце відводиться принципу, ідеї фізичного експерименту. Він націлює студентів на те, щоб вони самі стали для себе першовідкривачами тих чи інших законів. Студент повинен добре розуміти, навіщо досліджується дане фізичне явище, як його дослідити, як оформити результати проведених дослідів, та як оцінити похибки експерименту.

Слід зазначити, що в наш час прогрес майже в усіх галузях науки і техніки багато в чому обумовлений успіхами напівпровідникової електроніки. Тому знання основ технічної електроніки необхідні інженерові будь-якої спеціальності. Особливо важливо уявити можливості сучасної напівпровідникової техніки для вирішення наукових та виробничих завдань в тій чи іншій галузі. Багато задач керування, вимірювання, інтенсифікації технологічних процесів, що виникають в різних галузях техніки, можуть бути успішно розв’язані спеціалістами, знайомими з основами напівпровідникового матеріалознавства.

Практикум містить 6 лабораторних робіт. В кожній роботі дається виклад теорії та вказана методика і послідовність виконання роботи, а також додається перелік запитань для перевірки засвоєних знань.

Метою даного лабораторного практикуму є знайомство з фізичними основами, принципами дії та параметрами напівпровідникових приладів, набуття навиків їх використання для вирішення виробничих завдань.

Лабораторна робота №85

 

ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАРИ І ВИЗНАЧЕННЯ ЇЇ ТЕРМОЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ

 

Мета роботи: ознайомитись з термоелектричними явищами.

Прилади і матеріали: термопара, термометри, термостійкі посудини, електронагрівна спіраль, мінеральне масло, мікровольтметр.

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Контактні явища в металах

Якщо два різнорідних метали привести в контакт, то між ними виникає контактна різниця потенціалів. Італійський фізик А. Вольта встановив, що якщо метали Al, Zn, Sn, Pb, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт у вказаній послідовності, то кожний попередній при дотику з одним із наступних зарядиться позитивно. Цей ряд металів називається рядом Вольта. А. Вольта експериментально встановив такі два закони:

1. Контактна різниця потенціалів між двома металами залежить тільки від хімічного складу і температури контактуючих металів.

2. Контактна різниця потенціалів послідовно з’єднаних різних провідників при однаковій температурі не залежить від хімічного складу проміжних провідників і рівна контактній різниці потенціалів, яка виникає при безпосередньому з’єднанні крайніх провідників.

Для пояснення явища виникнення контактної різниці потенціалів розглянемо контакт двох металів з різними роботами виходу А₁ і А₂ електронів, тобто з різними положеннями рівнів Фермі (верхніх заповнених електронами енергетичних рівнів). Якщо А₁ < А₂, то рівень Фермі в металі 1 вищий, ніж в металі 2-

(рис. 85.1а). Таким чином, при контакті цих металів електрони з більш високих рівнів металу 1 будуть переходити на більш низькі рівні металу 2. При цьому метал 1 зарядиться позитивно, а метал 2 – негативно. Одночасно відбувається відносне зміщення енергетичних рівнів: в металі 1, який заряджений позитивно – вниз, а в металі 2, який заряджений негативно – вверх. Цей процес буде проходити до тих пір, доки між контактуючими металами не встановиться рівновага, яка характеризується спів паданням рівнів Фермі в

 

Рисунок 85.1

 

 

обидвох металах (рис. 1б). Оскільки в контактуючих металах рівні Фермі співпадають, а роботи виходу А­₁ і А₂ електронів не змінюються, то потенціальна енергія електронів в точках А і В (рис. 85.1б) буде різною, тобто між точками А і В виникне різниця потенціалів

, (85.1)

де е – заряд електрона. Ця різниця потенціалів Δφ' називається зовнішньою контактною різницею потенціалів.

Якщо рівні Фермі E_F1і E_F2для контактуючих металів не однакові, то між внутрішніми точками в цих металах існує внутрішня контактна різниця потенціалів, рівна

. (85.2)

В квантовій теорії доводиться, що причиною виникнення внутрішньої контактної різниці потенціалів є різна концентрація електронів в контактуючих металах, а її величина пропорційна температурі Т в контакті металів:

, (85.3)

де к – стала Больцмана; n₁ і n₂ – концентрації електронів в металах 1 і 2 відповідно. Повна контактна різниця потенціалів в контактуючих металах:

. (85.4)