Методические рекомендации. 1. В качестве Rм берут магазин сопротивлений Р33 и используют декады х1000, х100, х10

 

1. В качестве R_м берут магазин сопротивлений Р33 и используют декады х1000, х100, х10. Перед экспериментом устанавливают R_м = 2000Ом.

2. Электронный осциллограф включают в режим измерения переменного сигнала (закрытый вход). По мере приближения к равновесному состоянию моста повышают чувствительность осциллографа.

3. Задание температуры НЭ осуществляют с помощью регулятора температуры. Температура устанавливается через 1–2 минуты, то есть тогда, когда прекращается дрейф (рост) показаний измерительного прибора. Начальная устанавливаемая температура 20^оС.

4. При построении графика

 

выбирают одинаковый масштаб для единичных отрезков по осям абсцисс и ординат, тогда тангенс угла наклона a к оси абсцисс точно равен контактной разности потенциалов, выраженной в вольтах. При этом выбирают линейный участок этой характеристики.

Для вычисления φ можно также воспользоваться выражением

 

(6.3)

 

где R₁ и R₂ – сопротивление контакта при температурах Т₁ и Т₁ соответственно.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое работа выхода электрона из металла и легированного полупроводника?

2. Как возникает контактная разность потенциалов j_о?

3. От чего зависит j_о?

4. Почему в данном эксперименте выбирается питание мостовой схемы переменным напряжением с малой амплитудой?

5. Как объяснить зависимость R_o=f(T)?

 

 

Лабораторная работа №7

 

7. Исследование анизотропии термоэлектродвижущей силы

 

Цель работы:

1.Экспериментальное исследование поперечной термоэдс на анизотропном термоэлектрическом материале в приближении изотропной теплопроводности.

2.Проверка соотношения

.

 

7.1. Краткие теоретические сведения*

 

Анизотропия – это зависимость физических свойств кристалла от направления. Так, следствием анизотропии является то, что кристаллы, например, раскалываются обычно по плоскостям спайности, которые параллельны или перпендикулярны одной из осей кристалла высшей степени симметрии. В любой проводящей среде при наличии неоднородного температурного поля возникает диффузия носителей заряда из области с большей температурой в область с меньшей температурой (за счёт теплового движения) до тех пор, пока не наступает уравновешивание этого потока электрическими силами, возникающими в свою очередь вследствие перераспределения заряженных частиц в объёме этой среды.

Если замкнуть две точки данной среды с разными температурами некоторым гипотетическим материалом, у которого не возникало бы подобного рода перераспределения зарядов, то по получившемуся контуру потечёт электрический ток.

 

____________

*Более подробно теорию механизма возникновения термоэдс смотри в приложении.

Роль электродвижущей силы в этом контуре выполняет так называемая термоэдс. Напряжённость поля этих сторонних термоэлектрических сил выражается посредством линейной зависимости вида:

, (7.1)

 

где х - ось в направлении наибольшего изменения температуры,

i - единичный вектор оси х,

- коэффициент пропорциональности или коэффициент термоэдс.

Это соотношение носит название эффекта Зеебека.

В более общем виде этот закон записывается следующим образом (в двумерном варианте):

(7.2)

 

При этом значения могут отличаться вследствие анизотропии. Более того, если направление вектора градиента температуры не совпадает с главными осями кристалла, то величина напряженности записывается с помощью понятия тензора:

 

(7.3)

 

При этом, как показывает теория .

Из данного соотношения видно, что даже при отсутствии перепада температуры вдоль заданной координаты может возникать составляющая напряжённости термоэлектродвижущих сил в этом направлении. Например, , даже при условии , то есть возникает так называемая поперечная термоэдс. Известно, что поперечная термоэдс возникает только тогда, когда направление вектора градиента температуры в данной среде не совпадает с направлениями главных осей симметрии среды (кристаллического материала).

Или когда симметрия среды кристалла нарушается дополнительными внешними полями, например, магнитным, или другим силовым воздействием, например, механическим.

При совпадении же вектора градиента температуры с одной из главных осей симметрии и при отсутствии внешних полей, нарушающих симметрию, поперечный эффект не возникает.

В этом случае компоненты вектора напряженности термоэлектродвижущих сил записываются так:

, (7.4)

 

где - оси симметрии кристалла,

- в общем случае, и

- когда среда изотропна.

E1X

E2X

j

j

T1

T2

a

X1

X2

Y

X

b

Рис. 7.1. Схема, иллюстрирующая возникновение термоэдс в плоском анизотропном образце прямоугольной формы.

На рисунке 7.1 приведена схема, иллюстрирующая возникновение термоэдс в плоском анизотропном образце прямоугольной формы. Х₁, Х₂-главные кристаллографические оси, которым соответствуют компоненты тензора термоэдс α ₁₁ и α ₂₂.

Пусть главные оси - оси симметрии ОХ₁ и ОХ₂ не совпадают с осями образца, как на рисунке 7.1, а градиент температуры направлен вдоль оси образца ОУ. Разложим вектор градиента температуры по направлениям главных осей на составляющие:

 

 

,

 

где – разность измеряемой температуры слоёв образца отстоящих друг от друга на расстоянии b.

Тогда компоненты вектора напряжённости по главным направлениям будут равны

 

.

 

Сумма проекций на направление Х перпендикулярное направлению градиента температуры

 

.

 

И, наконец, получим выражение для

 

. (7.5)

 

Данное соотношение мы получили не учитывая возможную анизотропию теплопроводности.