![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Кубанский государственный аграрный университет
- •Введение Основные положения техники безопасности в лаборатории электрИчества
- •Основные этапы выполнения лабораторной работы
- •Основные сведения об измерениях электрических величин, погрешностях измерений и электроизмерительных приборах
- •Правила заполнения отчета
- •Определение электрической емкости конденсатора
- •Теория работы
- •Порядок выполнения работы
- •После проверки электрической цепи преподавателем и разрешения с его стороны
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая литература
- •Порядок выполнения работы
- •После проверки электрической цепи преподавателем и разрешения с его стороны
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая литература
- •Исследование электрических цепей и проверка законов Кирхгофа
- •Теория работы
- •Порядок выполнения работы
- •И разрешения с его стороны
- •После проверки электрической цепи преподавателем и разрешения с его стороны
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая литература
- •Определение энергетических характеристик электрического нагревателя
- •Теория работы
- •Порядок выполнения работы
- •После проверки электрической цепи преподавателем и разрешения с его стороны
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая литература
- •Изучение работы трансформатора и определение его характеристик
- •Теория работы
- •Порядок выполнения работы
- •После проверки электрической цепи преподавателем и разрешения с его стороны
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы
- •После проверки электрической цепи преподавателем и разрешения с его стороны
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая литература
- •Определение коэффициента мощности электрической нагрузки переменного тока
- •Теория работы
- •Порядок выполнения работы
- •После проверки электрической цепи преподавателем и разрешения с его стороны
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая литература
- •Градуировка термоэлемента и определение его удельной термоэлектродвижущей силы
- •Теория работы
- •Порядок выполнения работы
- •После проверки электрической цепи преподавателем и разрешения с его стороны
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая литература
- •Краткий физический словарь
Рекомендуемая литература
1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1994. § 149, 150, 151, 152.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. М: Наука, 1978. Т. 2. § 92.
3. Грабовский Р.И. Курс физики. С-Пб.: Лань, 2002. Часть П, § 37, 38.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-08
Градуировка термоэлемента и определение его удельной термоэлектродвижущей силы
Цель работы: изучить устройство термоэлемента, определить полную и удель-
ную термоэлектродвижущую силу батареи термоэлементов, на-
учиться градуировать термоэлемент.
Приборы и принадлежности: батарея термоэлементов, гальванометр, два термо-
метра, два термостата, электрический нагреватель.
Теория работы
Металлы имеют кристаллическую структуру: положительно заряженные ионы расположены в узлах кристаллической решетки, а электроны проводимости (обобществленные валентные электроны атомов) могут свободно перемещаться между ними. В разных металлах концентрации свободных электронов различны; отличаются и силы притяжения электронов к положительным ионам, что определяет работу выхода электронов из металла. Под работой выхода понимается работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из металла в вакуум.
Если два различных металла привести в тесное соприкосновение путем сварки или спайки (образовать спай), то начнется взаимный переход (диффузия) свободных электронов: электроны начнут переходить из металла с меньшей работой выхода в металл с большей работой выхода более интенсивно, чем наоборот. В связи с этим в металле с большей работой выхода образуется избыток электронов и он зарядится отрицательно; в металле с меньшей работой выхода образуется недостаток электронов и он зарядится положительно. В результате в спае между двумя различными металлами из-за разности работ выхода образуется электрическое поле и возникает контактная разность потенциалов, называемая внешней.
Кроме этого, идет взаимная диффузия свободных электронов за счет их разной концентрации: преимущественно из металла с большей концентрацией свободных электронов в металл с их меньшей концентрацией, что приводит к установлению внутренней контактной разности потенциалов.
Полная контактная разность потенциалов в спае двух разнородных металлов складывается из внешней и внутренней контактной разности потенциалов. Если замкнуть противоположные концы образующих спай проводников (образовать кольцо), то в месте контакта возникает такая же по величине, но противоположная по знаку полная контактная разность потенциалов, и тока в такой замкнутой цепи не будет.
Если же оба спая кольца из двух разнородных металлов поддерживать при разной температуре, в замкнутой цепи кольца появляется термоэлектрический ток. Причина появления термоэлектрического тока следующая: т.к. диффузия свободных электронов происходит в процессе теплового движения, то в горячем спае диффузия будет интенсивней и контактная разность потенциалов там станет более высокой, чем в холодном спае, появится результирующая разность потенциалов, равная разности контактных разностей потенциалов в нагретом и холодном спаях и называемая термоэлектродвижущей силой (ТЭДС). Явление возникновения ТЭДС в электрическом контуре из двух проводников из разных металлов, контакты между которыми поддерживаются при разных температурах, называется эффектом Зеебека. ТЭДС зависит от материала проводников и разности температур между ними.
Обратное явление – эффект Пельтье – заключается в выделении или поглощении тепла на спае двух разнородных проводников при протекании через него электрического тока. В замкнутой цепи из двух разнородных проводников имеются два спая, один из которых всегда охлаждается, а другой – нагревается.
Устройство, состоящее из двух последовательно соединенных между собой разнородных металлов (или полупроводников), называется термоэлементом. Несколько термоэлементов, включенных последовательно (или параллельно), образуют термоэлектрическую батарею.
Термоэлементы используется для преобразования тепловой энергии в электрическую (или наоборот). Если в термоэлементах используется эффект Зеебека, их применяют для измерения температуры и др. величин, связанных с температурой, а также в качестве источников электрической энергии. Термоэлементы, используемые в измерительной технике, называют термопарами. Термопары позволяют определять температуру объектов дистанционно, а также фиксировать ее в автоматическом режиме. На эффекте Пельтье в термоэлементах основана работа микрохолодильников, кондиционеров и термостатов, которые широко используются для охлаждения и стабилизации температуры в миниатюрных устройствах твердотельной микроэлектроники.
Найдем величину ТЭДС для термопары. В замкнутой цепи из двух разнородных металлов (1 и 2), контакты которых находятся при постоянных неодинаковых температурах T1 и T2, величина ТЭДС, согласно классической электронной теории, будет равна:
,
(1)
где е заряд электрона; n01 и n02 концентрация свободных электронов в металлах 1 и 2 соответственно; k - постоянная Больцмана; T1 и T2 абсолютная температура контакта 1 и 2 соответственно.
Величина
называется удельной термоэлектродвижущей
силой, т.е. ТЭДС, возникающей в цепи при
разности температур между спаями в один
градус.
Если замкнуть термопару на внешнее сопротивление R, то возникающая ТЭДСe может быть представлена в виде:
,
(2)
где r внутреннее сопротивление термоэлемента; I – сила тока в нем. Если r достаточно мало по сравнению с R, так что изменение r при нагревании почти не сказывается на общем сопротивлении, то можно считать силу тока I пропорциональной ТЭДС, последняя же возрастает пропорционально разности температур контактов:
,
(3)
где cудельная ТЭДС термоэлемента.
Если полученный таким образом термоток измерить чувствительным гальванометром, то отклонение a стрелки гальванометра, пропорциональное силе тока I, будет в случае соблюдения равенств (2) и (3) пропорционально разности температур. На этом явлении и основан метод градуировки термоэлемента.
Градуировка
термопары
производится путем помещения одного
из его контактов в среду с неизменной
температурой (например, в воду с
температурой t0°C),
второго - в среду с переменной температурой
ti°C
и определения соответствующих
отклонений ai
стрелки гальванометра. Результаты этих
измерений представляются в виде
графика ai
(ti):
,
откуда получаем
.
Постоянство величиныg,
определяющей
наклон кривой графика ai
(ti),
является критерием применимости формулы
(3).
Определение удельной термоэлектродвижущей силы термоэлемента производится следующим образом: измеряют отклонение указателя гальванометра a0, соответствующее определенной разности температур ti – t0. Затем производят измерение при той же разности температур ti – t0, но при включенном последовательно с гальванометром добавочным сопротивлением R1. Обозначая неизвестное сопротивление цепи, состоящей из термоэлемента, гальванометра и соединительных проводов, через R0, будем иметь для первого случая
,
(4)
а для второго
,
(5)
где
a0
отклонение стрелки гальванометра без
сопротивления R1
в цепи;
a1
отклонение стрелки гальванометра при
наличии сопротивления R1;
S
чувствительность гальванометра, т.е.
сила тока, вызывающая отклонение
стрелки гальванометра на одно деление.
Приравнивая (4) и (5), получим выражение
подставив его в (4), получим
.
(6)
Учитывая, что Тi – Т0 = Тi= (ti + 273) – (t0 + 273) = ti – t0 = ti из выражения (3) для удельной термоЭДС получим
(7)