Лабораторная работа по изучению электрических явлений в контактах

100

В.Е. Ивановâ âóçàõ. Ò. 9, ¹ 4, 2003 Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå

Лабораторная работа по изучению электрических явлений в контактах В.Е. Иванов Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, кафедра теоретической и экспериментальной физики Приводится описание лабораторной работы, посвященной изучению термоэлектрических явлений в курсе общего физического практикума. Предложен новый подход, позволяющий изучать явление Пельтье, не используя традиционные калориметрические методы. Изложены основные физические принципы постановки экспериментов, представлены результаты и методы их обработки.

Явления Пельтье и Зеебека [1,2] имеют обратимый характер. Для наблюдения эффекта Зеебека достаточно присоединить к микроамперметру термопару, имеющую два спая. При нагревании или охлаждении одного из спаев термопары в цепи возникает термоэдс, которая порождает электрический ток. Величина термоэлекрического тока при разнице температур несколько сотен градусов измеряется десятками миллиампер и легко регистрируема электроизмерительными приборами с высоким разрешением. Обнаружить явление Пельтье гораздо сложнее, чем эффект Зеебека. Основная трудность заключается в том, что коэффициент Пельтье для большинства металлов составляет величину порядка 10 /3/ 10 /2 В. Поэтому даже при значительных плотностях электрического тока (j = 1/3A/мм 2 ) в проволочных образцах, образующих термопару, разница температур спаев, возникающая вследствие выделения и поглощения теплоты, составляет несколько единиц градусов. Столь малую разницу температур практически не удается разрешить на базе простейшего физического оборудования. В ряде случаев трудности подобного рода можно преодолеть, например, используя калориметрические методы измерения эффекта Пельтье [3]. В настоящей работе предлагается использовать эффект Зеебека с целью изучения явления Пельтье. Для этого был изготовлен термоэлемент, образованный парой металлических проводников (сталь константан или медь константан), контакт между которыми представляет собой сварное соединение. Так как эти эффекты имеют обратимый характер, то обычную термопару легко превратить в прибор, позволяющий обнаружить эффект Пельтье. Так, если по термоэлементу предварительно пропустить электрический ток, то спустя некоторое время спаи термоэлемента будут иметь различную температуру, которая в наших экспериментах составляет величину порядка 10 К. Эту разницу температур легко

Лабораторная работа по изучению электрических явлений в контактах

101

зарегистрировать, используя данный термоэлемент в качестве термопары. Так как коэффициент термоэдс для большинства пар металлов составляет величину порядка 10 мкВ/К, то термоэдс будет равна E ≈ 0,1/0,2 мВ. Для ее обнаружения достаточно подключить термоэлемент к электронному или цифровому измерителю тока или напряжения, разрешение которых составляет единицы микровольт. Следует отметить, что при изготовлении данной экспериментальной установки необходимо обратить внимание на следующие особенности. Дело в том, что явление Пельтье в опытах будет неизбежно “экранироваться” эффектом Джоуля/ Ленца. Как известно, тепло Джоуля/Ленца прямо пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника: 2

Q = J ·R· t. П

В свою очередь тепло Пельтье прямо пропорционально первой степени силы тока

Q = П· J· t, П

где П/ коэффициент Пельтье. В этом случае решающие значение имеет величина плотности тока в проводниках, из которых изготовлен термоэлемент. Поэтому, с одной стороны, желательно уменьшить плотность тока, увеличив сечение проводников, с другой стороны, при увеличении сечения возрастают тепловые потоки, выравнивающие температуру спаев и проводников вследствие теплопроводности. Это обстоятельство не позволяет получить значительную разницу температур. При этом для изготовления термоэлемента предпочтительнее использовать пары металлов с малыми коэффициентами теплопроводности. Но уменьшение теплопроводности неминуемо влечет уменьшение проводимости, что усиливает влияние джоулевого тепла. Наш термоэлемент изготовлен из проволочных проводников диаметром d=1,5/2 мм, при этом величина плотности тока составляет j=1/2А/мм2. Анализ хода постановки экспериментов указывает на то, что в опытах немаловажное значение имеют переходные процессы теплопроводности. Понятно, что разность температур спаев устанавливается не мгновенно, а требует определенного времени протекания электрического тока. Поэтому абсолютная величина наблюдаемого эффекта также будет зависеть от времени и достигать своего наибольшего и предельного значения по окончании переходного процесса установления стационарного распределения температуры в проводниках. В наших опытах переходный процесс можно было считать завершенным по истечении времени t=10 мин. Переключение термоэлемента от источника тока к измерителю

102

В.Е. Иванов

термоэдс сопровождается процессом теплопроводности, в ходе которого разница температур спаев, а следовательно и величина термоэдс, стремится к нулю. Последнее обстоятельство указывает на необходимость проведения измерений в “адиабатическом” режиме. Изучив вышеуказанные трудности и устранив возможные артефакты, которые могут возникнуть в ходе наблюдений термоэлектрических явлений, можно собрать простую лабораторную установку (см. рис. 1) и выполнить следующие эксперименты. Во/первых, необходимо продемонстрировать, что изменение направления электрического тока через спаи термоэлемента приводит к изменению полярности

Рисунок 1. Принципиальная схема лабораторной установки для изучения эффекта Пельтье: А − измеритель постоянного тока, прибор М2015 (класс точности γ=0,2); мкА− микроамперметр Ф195 (класс точности γ=0,5); Т − трансформатор с регулируемым выходом U=1÷10 В; R − реостат (10 Ом); VD1/VD4 − диодный мост (Д232); К − двухполюсный перекидной ключ.

Лабораторная работа по изучению электрических явлений в контактах

103

возникающей термоэдс. В опытах удобнее использовать микроамперметр с центральным положением стрелки на шкале. Во/вторых, нужно показать, что питание термоэлемента переменным током промышленной частоты не вызывает появление разницы температур, и как следствие этого термоэдс. Этот опыт наглядно демонстрирует, что среднее значение тепла Пельтье, выделяющегося в спаях за время одного периода синусоидального тока, равно нулю. В противном случае ненулевое показание микроамперметра будет свидетельствовать о том, что выделяющиеся джоулево тепло имеет различную величину в спаях. Это явление можно объяснить, например различным омическим сопротивлением спаев. Используя данную установку, можно выполнить некоторые количественные эксперименты. Прежде всего термоэлемент необходимо

Рисунок 2. Экспериментальные графики зависимостей Е=f(J) и ΔT=f(J), отражающих физическую сущность эффекта Пельтье. Абсолютные ошибки измерения термоэдс и электрического тока соответственно равны ΔЕ=5 мкВ, ΔJ=15 мА.

104

В.Е. Иванов

проградуировать, используя стандартную методику градуировки термопар. Получив экспериментальные данные, нужно построить график зависимости термоэдс от разницы температур спаев Е=f( Δ T). Используя современные компьютерные методы обработки экспериментальных данных, можно получить аналитический вид зависимости Е=f(ΔT). При малой разнице температур ΔT~10 К коэффициент Пельтье можно считать величиной постоянной П=const, а тепло Пельтье прямо пропорциональным электрическому току Q П ~ J. В [3] показано, что тепло Пельтье прямо пропорционально разнице температур спаев QП ~ ΔT. Поэтому, чтобы убедиться в достоверности физического закона QП = П·J·t, достаточно на опыте проверить справедливость соотношения ΔT = const·J·t. Для этого в опытах нужно изменять величину электрического тока, протекающего через термоэлемент, и по истечении времени переходного процесса t=10 мин. каждый раз регистрировать величину возникающей термоэдс. По данным эксперимента необходимо построить график зависимости Е=f(J) (см. рис. 2). Разумеется, измерения (термоэлемент исследуемый объект; термоэлемент − прибор измеритель) необходимо проводить в “адиабатическом” режиме. Далее, используя зависимости Е=f(J) и ΔT=kЕ, можно построить график ΔT=f(J) (см. рис. 2), который свидетельствует о том, что наше проверочное соотношение выполняется. На основании данных, полученных в работе для термоэлемента, образованного парой сталь константан, можно рассчитать коэффициент термоэдс a, а также коэффициент Пельтье П для Т=300 К. По данным калибровки разнице температур ΔT=5 К соответствует величина термоэдс Е=250 мкВ. С учетом этого будем иметь:

α=

250 ìê E ìê ìê = = 50 ⋅ 300 Ê = 15 ì , ; Ï = α ⋅Ò = 50 ΔT 5Ê Ê Ê

что согласуется с табличными данными [5]. Несомненно, что данная работа отражает глубокий физический смысл таких понятий как внешняя и внутренняя разность потенциалов, работа выхода электронов из металла, диффузионный электронный и тепловой потоки, демонстрирует кинетику процессов теплопроводности и степень их влияния на изучаемые явления, а также может составить основу лабораторной работы по изучению контактных явлений в металлах и полупроводниках.

Лабораторная работа по изучению электрических явлений в контактах

105

Литература 1. Калашников С.Г. Электричество. Глава 19. М.: Наука, 1985, 576 с. 2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. III. Глава 8. М.: Наука, 1977, 688 с. 3. Андроникашвили Э.Л., Гамцемлидзе Г.А. и др. Лабораторные работы по физике М.: 1961, 183 с. 4. J. Rossel Physique Generale. Paris. 1960. (См. перевод: Дубинко Т.С., Маринчук М.Е. Ж. Россель Общая физика. /Под ред. Яковлева К.П. М., Издательство “Мир”, 1964.) 5. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины. Справочник /Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. , М., Энергоатомиздат, 1991.