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Thermospannung am Element MetallЦHalbleiterЦMetall. III. Temperaturdifferenzabhngigkeit der Thermokraft fr Kupferoxydul

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. Rohde. Thermospann. am Element Metall-Halbleiter-Metall. I11 259
Thermospannung
a m Eterntmt ~ e t a l l - H a l b l d t e r - M ~.I11
.
T e ~ c r c c t u r d C ~ e r c ~ b ~dm
~ nThemokraft
~k~t
far K u p f e m d d
Von W.Roh&e
(Mit 5 Abbildungen)
I n h a l t : 1. f i a g e e t e l l w y . - 2. Mefiergebnkee: A. Abhiingigkeit der
Thermokraft von der Temperaturdifferenz bei verschiedenen Temperaturen;
B. Die Temperaturabhhgigkeit der Thermokraft fur verachiedene Temperaturdifferenzen; C. Thermokraft in Abhhgigkeit von der Art der Erzeugung der
Temperaturdifferenz. - 3. Z&antmenfasswng.
1. Frageetellung
Die Fortfiihrung der in der vorstehenden Veroffentlichung l) beschriebenen Untersuchungen an einem anderen Institut bedingte zur
fehler- und liickenlosen Ankniipfung eine teilweise Wiederholung der
Versuche. So konnten zuerst die Form der Abhangigkeit der Thermospannung reduziert auf 1O Temperaturdifferenz von der angewandten
Temperaturdifferenz und ebenfalls der Sprung der Thermokraft 2, bei
etwa 30° C an der Stelle, an der die Leitfahigkeitsgerade einen
Knick aufweist, bestatigt werden. Die weiteren Untersuchungen an
dieser am Cu,O bisher nicht bekannten bzw. beachteten Erecheinung
befa6ten sich mit der Abhangigkeit der Thermospannung von der
Temperaturdifferenz dies- und jenseits des Sprungpunktes, von der
Art der Erzeugung der Temperaturdifferenz, sowie von der Lange
der Probe. Die benutzten Versuchs- und MeBanordnungen sind den
friiheren 3, so ahnlich, da6 auf eine Beschreibung verzichtet werden
kann. Die Ergebnisse dieser Versuche bilden den Inhalt nachstehender Ausfiihrungen.
2. XeDergebniaae
A. Abhiingigkeit der T h e r m o k r a f t von der T e m p e r a t u r d i f f e r e n z
b e i v e r s c h i e d e n e n Temperaturen
An mehreren Cu,O-Proben, deren Leitfahigkeitsgeraden bei + 30
bis 40° C eiuen Knick und deren Thermokraft, gemessen bei einer
1) H. S c h w e i c k e r t . Ann. d. Phys. [5] 34. S. 250. 1939.
2) Thermokraft = Thermospannung pro Grad Temperaturdifferenz.
3) G. Monch. Ann. d. Phys. [5] 26. S.483. 1936.
17*
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 34. 1939
260
Temperaturdifferenz von etwa 5 O, an derselben Stelle einen Sprung
aufweisen, wurde die Abhangigkeit der Thermokraft von der Temperaturdifferenz bei verschiedenen Temperaturen, die zum Teil unter-,
zum Teil oberhalb der Sprungstelle lagen, gemessen. Die Kurven
(vgl. Abb. 1-3) zeigen die AbhSingigkeit des spezifischen Widerstandes von der Temperatur und die der Thermokraft von der
f*4P
Pmbe K15
a)
mY
Grad)
Probe K 15
bl
Abb. 1. a) Abhiingigkeit des spezifischen Widerstandes
der Cu,O-Probe R15 von der Temperatur.
4: spezifischer Widerstand ; T: absolute Temperatur; K : ,,Kniekpunkt".
b) Abhgngigkeit der Thermokraft (mV/Grad) derselben ChO-Probe von der
Temperaturdifferenz A t fur zwei verschiedene Temperaturen t, = 20°
und t, = 50° C (dies- und jenseits des ,,Sprungpunktes")
Temperaturdifferenz fur das Gebiet dies- und jenseits des Knickpunktes. I n den drei Beispielen ist fiir eine Temperaturdifferenz
von drei und mehr Grad der Sprung kenntlich ale eine Differenz
der Thermokraft von 0,05-0,15 rnV/Grad. Fur kleinere Temperaturdifferenzen konnen wir dagegen folgende neue Beobachtung
entnehmen: Der Sprung der Thermokraft nimmt mit kleineren
Temperaturunterschieden zwischen den Lotstellen immer mehr ab
und ist bei loDifferenz so gut wig verschwunden. Die im nachsten
Kapitel beschriebene Methode erlaubt es, diesen Effekt mit empfindlicheren Messungen bestatigend zu wiederholen.
Rohde. Thrmospann. am Element MetaU-Halbleiter-Metull. J I I 261
B. D i e T e m p e r a t u r a b h a n gig k e i t d e r T h e r m o k r a f t
f ur v e r s c h ie d e n e T e m p e r a t ur d i f f e r e n z e n
Eine genaue Messung der GroBe des Sprunges, den die Thermokraft zeigt, ist durch Aufnahme von Kurvenziigen wie die der
Abb. 6 b und 7b von Schweickert') moglich. Gemessen wurde die
Thermospannung fur verschiedene Temperaturen beiderseits des
Knickpunktes bei gleichbleibender Temperaturdifferenz der ,,Lot104t
-A
-
XZ8
a)
I
Q9
I
2
I
1
3
4
5 OC
Abb. 2. a) Abhangigkeit des spezifischen Widerstaudes
der Cu,O-Probe K 28 von der Temperatur.
q : spezifiecher Widerstand; T: absolute Temperatur; K: ,,Knickpunkt".
b) Abhangigkeit der Thermokraft (mV /Grad) derselben Cu,O-Probe von der
Temperaturdifferenz A t f u r zwei verschiedene Temperaturen t, = 21°
und t, = 41° C (dies- und jenseits des ,,Sprungpunktes")
stellen". Aufgetragen wurde die auf loreduzierte Thermospannung
in Abhangigkeit von der Temperatur. Die GroBe des Sprunges
ergibt sich aus dem Abstand der Geraden, die fur das Gebiet oberund unterhalb der Sprungstelle aufgenommen wurden. Wird in
einer anderen MeBreihe die Temperaturdifferenz durchweg kleiner
geh,alten, so erhalt man ebenfalls einen Sprung, der entprechend der
anderen Temperaturdifferenz der ,,Lotstellen" anders ausfallt. Durch
Aufnahme mehrerer solcher Kurvenziige laBt sich die QrGBe der
1) H. S c h w e i c k e r t , a. a. O., S. 265.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 34. 1939
262
Probe K 707
9
,
Abb. 3. a) Abhangigkeit des spezifischen Widerstandes
der Cu,O-Probe K101 von der Temperatur.
e : spezifischer Widerstand; T: absolute Temperatur; K : ,,Knickpunkt".
b) Abhilngigkeit der Thermokraft (mV/ Grad) derselben Cu,O -Probe von der
Temperaturdifferenz A I! f iir zwei verschiedene Temperaturen tt = 20°
und tn = 50° C (dies- und jenseits des ,,Sprungpunktes")
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30
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60 oc
Abb. 4. Thermokraft (mV/Grad) in Abhilngigkeit von der Temperatur
f u r verschiedene Temperaturdifferenzen A I!
Rohde. Thermospann. an8 Element Metall-Halbleiter-Metall. III 263
Spriinge in Abhangigkeit von der Temperaturdifferenz der ,,Lotstellen" entnehmen. Dieses Verfahren ist also dadurch genauer, daW
der jeweilige Sprung als Abstand zweier durch mehrere Punkte festgelegter Geraden bestimmt ist, wiihrend er sich vorher nur als Abstand einzelner MeBpunkte ergab. Die Ergebnisse beider MeSreihen
stimmen iiberein: Der Sprung wird mit abnehmender Temperaturdifferenz, wie aus den Abbildungen zu entnehmen ist, kleiner.
C. T h e r m o k r a f t i n A b h i n g i g k e i t v o n d e r A r t d e r E r z e u g u n g
d e r T e m p e r a t u r d i f f e r e n z I)
Um den EinfluB, den der Temperatursprung an der Beriihmngsstelle Metall-Halbleiter auf die GroBe der Thermokraft ausiibt,
kennenzulernen, wnrde die Temperaturerhijhung der heiBen ,,Lotstelle" nicht durch Heizen der Kupferbacke, sondern durch Heizen
:
l2
17
I
~-XXzx,
2
3
4
5
6
A ~ O C
-X
Abb. 5. Thermokraft [mV/Grad)in Abhiingigkeit von der Temperaturdifferenz A t .
x - x - x : Bei Heisung der ,,Lotstelle" durch die erwlirmte Metallelektrode,
o -o -o : Bei Heizung der ,,Liitstelle" durch den erwlirmten Halbleiter
des C%O-Stiickes hervorgebracht. Dam wurden zwei heizbare, vom
Cu,O durch Glimmer elektrisch isolierte Kupferbacken uber das
Kupferoxydul geschoben. Beide Anordnungen unterscheiden sich
durch die Richtung des erzeugten Temperaturgef Olles. Wahrend bei
der ersten die Temperatur in Richtung Metall-Halbleiter fallt, also
das Metall den Halbleiter heizt, liegt es bei der zweiten Anordnung umgekehrt : die Temperatur fallt in Richtung Halbleiter-Metall, der
Halbleiter heizt das Metall. Die Temperaturmessung erfolgte wie
bisher zwischen den Kupferbacken, die den Halbleiter halten, mit
ihm in leitender Verbindung stehen und die Metallelektroden des
Thermoelements bilden. Wie erwartet (Abb. 5), ist die Thermo1) Themnohaft und Lange der B o b e . Messungen iiber die Liingenabhingigkeit der Thermospannung ergaben , da6 mit abnehmender Llinge der
Probe die Thermospannung pro Grad kleiner wird. Diese Erscheinung wird
man wohl als eine Folge der ungenauen Temperaturdifferenzerfassung infolge
Nichtberiicksichtigung des Temperatursprunges an der tfbergangsstelle MetallHalbleiter ansehen miissen.
264
Annalen aer Physik. 5. Folge. Band 34. 1939
spannung pro Grad bei unmittelbarer Erwarmung des Cu,O-Stuckes
absolut gro6er als bei der Erwarmung iiber die Kupferelektroden.
Dss Mittel aus den Melergebnissen nach beiden Methoden wird
etwa die absolut richtigen Werte ergeben. Daraus folgt, daB die
bisherigen Absolutwerte um etwa 5 "/I, gefalscht sind.
3. Zueammenfaeeung
Die Thermospannung wird unter- und oberhalb der Temperatur,
an der die Leitfahigkeitsgerade einen Knick aufweist, in Abhangigkeit von der Temperaturdifferenz gemessen. An der Knickstelle
zeigt sich bei einer Temperaturdifferenz von etwa 5 O ein Sprung in
der Thermospannung, kenntlich an einer Differenz der beiden Werte
von etwa 0,l mV/Grad. I n Richtung kleinerer Temperaturdifferenzen
wird die Differenz der Thermospannungen geringer und verschwindet
ungefahr bei 1". Diese Temperaturdifferenzabhangigkeit der Thermokraft wird durch eine zweite MeBmethode bestatigt. Aufgenommen
wurde fiir jeweils gleiche Temperaturdifferenz die Abhangigkeit der
Thermospannung von der Temperatur. Der Sprung zeigt sich als
Abstand zweier Geraden. Dieser Abstand verringert sich fiir kleinere
Temperaturdifferenzen, wie es aus den Kurven (Abb. 4) zu entnehmen ist.
Durch eine veranderte Heizanordnung, bei der das Kupferoxydulstuck direkt erwarmt wurde, erhalt man an der heilen ,,Lotstelle" ein Temperaturgefalle in Richtung Halbleiter-Metall. Die
gemessene Temperaturdifferenz erscheint daher kleiner als bei der
Erwarmung iiber die Kupferbacke, die Thermospannung pro Grad
fiillt groSer als vorher aus. Danach sind die bisher angegebenen
Absolutwerte als um etwa 5O/, gefalscht zu betrachten. Folgerungen
fur die bisherigen Betrachtungen grundsatzlicher Art ergeben sich
hieraus nicht.
Fur die Moglichkeit der Durchfuhrung dieser Arbeit und das
stets gezeigte freundliche Interesse danke ich Herrn Prof. Dr. W. F r i e d r i c h , fUr die Anregung, sowie fur wertvolle Ratschlage und Hinweise Herrn Dozent Dr. G. M o n c h , ebenso der Helmholtz- Gesellschaft fiir die ejberlassung von Apparaten.
B e r l i n , Institut fur Strahlenforschung an der Universitat, im
September 1938.
(Eingegangen 18. Oktober 1938)
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