Druga pracownia fizyczna Prowadzący: dr Jankowska		Kozłowska Anna	Fizyka III rok gr. 1
Nr. ćwiczenia 34	Temat: Efekt termoelektryczny w metalach i cechowanie termopar.
Data wykonania: 13.11.2003 Data oddania: 27.11.2003		Uwagi:	Zaliczenie:

WSTĘP TEORETYCZNY:

Zjawiska termoelektryczne - grupa zjawisk związanych ze współzależnością między procesami cieplnymi i elektrycznymi w obwodach elektrycznych. Do zjawisk termoelektrycznych zaliczamy zjawiska:

Zjawisko Peltiera - efekt odwrotny do zjawiska Seebecka, polegający na wydzieleniu lub pochłonięciu ciepła na spojeniu dwóch różnych przewodników ( np. miedzi i bizmutu ) w zależności od kierunku przepływającego przez nie prądu elektrycznego. Ilość wydzielonego lub pochłoniętego na spojeniu ciepła Q w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia prądu I : Q = Π _AB (T) ^. I,

gdzie Π _AB (T) - współczynnik Peltiera - zależy od temperatury spojenia i rodzaju stykających się przewodników A i B. Zjawisko Peltiera staje się dominujące w przypadku przepływu prądu o małym natężeniu, wtedy bowiem stosunek ciepła Joule^,a, wydzielającego się w przewodach, do ciepła Peltiera, wydzielonego na styku, jest proporcjonalny do I² / I a zatem do I. Przy bardzo małej wartości natężenia prądu ciepło Joule^,a można zaniedbać. Wydzielenie względnie pochłonięcie ciepła Peltiera na spojeniach spowodowane jest tym, że płynący w ciągu czas t przez przewodnik ładunek elektryczny, musi przejść przez dwie nieciągłości potencjału: w spojeniu I przechodzi przez spadek potencjału U_A - U_B, wykonuje pracę (U_A - U_B )^. I ^. t, natomiast w spojeniu II musi „pokonać” wzrost potencjału U_A<sup>`</sup> - U<sub>B</sub>`

Cu

Bi

Cu

wydzielenie ciepła pochłonięcie ciepła

U_A - U_B U_A` - U<sub>B</sub>`

spadek potencjału wzrost potencjału

wbrew siłom pola elektrycznego i na to trzeba dostarczyć pewnej ilości pracy. Zatem w spojeniu I energia się wydziela, a w II spojeniu zostaje pochłonięta.

Zjawisko Seebecka - w obwodzie elektrycznym, składającym się z dwóch różnych materiałów, różnica temperatur spojeń powoduje powstanie siły elektromotorycznej U wprost proporcjonalnej do różnicy temperatur T₁ -T₂ spojeń: U = α ( T₁ -T₂ ).

Współczynnik proporcjonalności α , równy liczbowo SEM powstającej w obwodzie przy różnicy temperatur 1K, nazywa się siła termoelektryczną. Stykającymi się materiałami mogą być dwa metale, dwa przewodniki lub metal i przewodnik. Obecność w obwodzie dowolnej liczby dowolnych materiałów nie ma wpływu na wielkość siły termoelektrycznej, jeśli tylko pozostałe spojenia mają taką samą temperaturę. Zdefiniowana wyżej siła termoelektryczna jest tzw. względną siłą termoelektryczną α_AB materiału A względem B, równą różnicy bezwzględnych sił termoelektrycznych α_{A i} α_B ( α_AB = α_{A --} α_B ). Bezwzględne wartości α można wyznaczyć ze związku pomiędzy zjawiskiem Seebecka i Thomsona. Jeśli współczynniki Thomsona wynoszą τ_A i τ_B dla materiału A i B to: τ_A - τ_B = T (dα_AB )/dT.

Zjawisko Thomsona - wydzielenie ( pochłanianie ) dodatkowego ciepła na całej długości jednorodnej ( bez spojeń ) przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny i istnieje gradient temperatury (temperatura jest różna w różnych punktach przewodnika). Wydzielone ciepło Q jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu I i gradientu temperatury dT/dx:

Q = τ I dT/dx,

gdzie τ - tzw. współczynnik Thomsona.

Zjawisko Peltiera, Seebecka i Thomsona są ze sobą związane, co wyraża się zależnością odpowiednich współczynników: dα_AB / dT = (τ_A -τ_B ) / T

α_AB = Π_AB / T

Energia Fermiego - prowadził o szereg doświadczeń nad pierwiastkami promieniotwórczymi. Zauważył on następującą rzecz: neutrony doznają zderzeń sprężystych z atomami wodoru, z którymi mają prawie jednakową masę, oddają im przy zderzenia znaczną część swojego pędu. Protony przy takich zderzeniach zostają odrzucone, a neutrony po pewnym czasie tracą swoją prędkość. Neutrony powolne zostają przyciągane przez jądro, nabywając jednocześnie dużej energii kinetycznej wskutek istnienia potężnych sił jądrowych. Energię tą oddają cząstkom znajdujących się w jądrze. Z jądra może „wyparować” jakaś cząstka, która uzyska dużą energię.

Praca wyjścia - minimalna praca konieczna do wyprowadzenia elektronu o energii odpowiadającej energii na poziomie Fermiego z ciała stałego do otaczającej to ciało próżni.

Wybicie elektronu z atomu wymaga dostarczenia energii na pokonanie siły wiązania elektronu z dodatnim jądrem atomowym.

Swobodne elektrony tworzące gaz, gaz elektronowy w metalach i półprzewodnikach, choć przemieszczają się bez większych przeszkód w obrębie kryształu, nie mogą się wydostać poza jego obręb bez dostarczania energii, dochodzącej w przypadku metalu do kilku elektronowoltów na jeden opuszczający metal elektron. Energia ta zostaje zużytkowana na pokonanie sił przyciągania działających pomiędzy opuszczającymi metal elektronami i pozostającym w wyniku tego w metalu ładunkiem dodatnim. Źródłem energii pozwalającej na wybicie elektronu z metalu i przeniesienie go do otaczającego środowiska może być krótkofalowe światło. Zjawisko emisji elektronów wywołanej przez światło padające na metal wykorzystane zostało w fotoelektrycznym zjawisku zewnętrznym. Pokonanie energii utrzymującej elektron w metalu może również odbywać się kosztem drgań termicznych sieci. Przy podgrzewaniu ciała rośnie energia drgań jego sieci i w wyniku zderzeń z fononami elektrony mogą zostać wyrzucone z kryształu. Zjawisko to nosi nazwę termoemisji elektronowej i znalazło zastosowanie w lampach elektronowych. Poziom energii w warunkach równowagi jest stały we wszystkich stykających się przewodnikach czy metalach. Praca wyjścia metali i półprzewodników zależy od: rodzaju sieci krystalograficznej oraz tworzących ją atomów, od położenia poziomu Fermiego, od stanu powierzchni danego ciała.

Cechowanie termopary chromel - alumen (napięcie cechowania w mV)

PIERWSZA TERMOPARA

T [°C]	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
90	-	1,8	-	1,78	-	1,74	-	1,7	-	1,68
80	-	1,64	-	1,62	-	1,6	-	1,56	-	1,53
70	-	1,52	-	1,48	-	1,44	-	1,4	-	1,38
60	-	1,36	-	1,32	-	1,28	-	1,26	-	1,24
50	-	1,2	-	-	-	1,12	-	10,8	-	1,04
40	-	1	--	0,94	-	0,9	-	0,84	-	0,82
30	-	0,76	-	0,72	-	0,68	-	0,64	-	0,6
20	-	0,56	0,52	0,5	0,48	-	-	-	-	-

DRUGA TERMOPARA

T [°C]	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
90	-	4	-	3,9	-	3,8	-	3,7	-	-
80	-	3,6	-	3,5	-	3,4	-	3,3	-	3,2
70	-	3,15	-	3,1	-	3	-	2,9	-	2,8
60	-	2,7	-	2,6	-	2,5	-	2,45	-	2,4
50	-	2,3	-	2,2	-	2,15	-	2,05	-	2
40	-	1,95	-	1,85	-	1,8	-	1,7	-	1,55
30	-	1,5	-	1,4	-	1,3	-	1,25	-	1,2

WNIOSKI:

Zauważam, że charakterystyki obu termopar są liniowe, czyli napięcie na termoparze rośnie proporcjonalnie do temperatury podgrzewanego końca. Porównując wykresy dla obu termopar stwierdziłem, że jedna z termopar (opisana na wykresie jako chłodzenie) jest bardziej czuła na zmianę temperatury niż druga (grzanie). To znaczy, że przy wzroście o tą samą temperaturę na termoparze pierwszej wzrasta napięcie bardziej niż na termoparze drugiej.

Zastosowanie zjawiska Peltiera.

"Ogniwo Peltiera to dwie cienkie płytki z termoprzewodzącego materiału izolacyjnego (ceramika tlenków glinu), miedzy, którymi naprzemiennie umieszczono półprzewodniki typu "p" i "n". Wykonane z tellurku bizmutu, domieszkowanego odpowiednio antymonem i
selenem, "słupki" połączone są, dzięki miedzianym ścieżkom na wewnętrznych powierzchniach płytek obudowy ceramicznej, w układ szeregowy. Ogniwo działa na zasadzie pompy, przepompowywuje ciepło z jednej strony na drugą."

Termomoduł Peltiera - najogólniej rzecz biorąc jest to urządzenie ( cieniutka ceramiczna płytka, która po podłączeniu do prądu z jednej strony robi się zimna, a z drugiej gorąca. ). Ogniwo takie możemy swobodnie wykorzystać do schładzania nadtaktowanych procesorów, lub innych elementów wydzielających ciepło.

Po podłączeniu do prądu jedna strona modułu ( zimna ) będzie przepompowywała ciepło na drugą stronę, skąd zostanie ono odebrane przez radiator i wytransportowanie do otoczenia ( tj. obudowy ). Cały problem polega na odebraniu dużej ilości ciepła ze strony gorącej i wytransportowanie tej całej energii poza obudowę. W grę wchodzi również chłodziwo wodne, co w tym wypadku jest bardzo dobrym rozwiązaniem, zważywszy na rewelacyjne właściwości wody jako wymiennika ciepła! Niewystarczająco wydajny układ chłodzący może doprowadzić do wyrównania się temp. po obu stronach płytki, jeżeli ta temperatura będzie za wysoka to doprowadzi to do spalenia się CPU.

Zjawisko Peltiera stosuje się także w detektorach podczerwieni i tego typu urządzeniach.

energia

poziom Fermiego

praca wyjścia

metal

próżnia

---