Градуирование термоэлемента

Приборы и принадлежности: термоэлемент (термопара), милливольтметр (гальванометр), нагревательный прибор, термометры, сосуд с водой.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Свободные электроны (в 1 см имеется 10²²-10²³ электронов), находящиеся в состоянии беспорядочного движения, не выходят из металла, так как их удерживают электрические силы. Возникают эти силы в результате двух причин:

1) между свободными электронами и положительно заряженной ионной решеткой существуют силы взаимодействия;

2) в результате теплового движения некоторые из свободных электронов, находящихся вблизи поверхности металла, могут перейти эту поверхность и несколько удалиться от нее, поэтому поверхность металла окутана электронной оболочкой, толщиной порядка нескольких межатомных расстояний в металле. Эта электронная оболочка заряжена отрицательно, а поверхность металла вследствие обеднения ее электронами - положительно. Следовательно, возникает сила, притягивающая электрон и мешающая ему выйти.

Эти причины приводят к возникновению в поверхностном слое металла потенциального барьера . Для того чтобы электрон мог пройти через этот барьер и удалиться из металла, необходимо совершить работу. Работа, которую надо совершить на освобождение электрона е из металла, называется работой выхода А:

,

(1)

где е - заряд электрона, Dj- поверхностный скачок потенциала или контактная разность потенциалов между металлом и окружающей средой. Работа выхода неодинакова для различных металлов и зависит от их структуры.

При невысоких температурах энергия свободных электронов меньше работы выхода.

Эмиссию (испарение) электронов с поверхности металла можно получать: 1) при нагревании металла - имеем термоэлектронную эмиссию; 2) при помещении металла в сильное электрическое поле, которое «подхватывало» бы электроны с поверхности металла (холодная эмиссия); 3) при облучении металла светом - получим фотоэффект; 4) при бомбардировке поверхности металла электронами, ионами или другими частицами (вторичная термоэлектронная эмиссия). Контактные явления. Если соприкасаются два различных металла, свободные электроны переходят из одного металла в другой, имеем явление диффузии. Условия перехода неодинаковы. Электронам легче переходить к тому металлу, у которого: 1) работа выхода больше (следовательно, имеет место преимущественный переход свободных электронов от металла с меньшей работой выхода к металлу с большей работой выхода) и 2) больше среднее число свободных электронов в единице объема, т. е. свободные электроны переходят от того металла, в котором их среднее количество в единице объема больше, к тому, в котором среднее количество в единице объема меньше.

Таким образом, один из проводников, получающий избыток электронов, заряжается отрицательно, а другой, теряющий часть электронов, заряжается положительно. На границе соприкосновения двух различных металлов возникает контактная разность потенциалов. Контактная разность потенциалов между двумя металлами (первый закон Вольта) равна:

,

(2)

где п₀₁ и п₀₂ -число электронов в единице объема первого и второго металла, А₁ и А₂ - работы выхода электронов из этих металлов, Т - температура в месте контакта, k - постоянная Больцмана, е - абсолютная величина заряда электрона; знак минус стоит потому, что при А₁ >А₂ первый металл заряжен отрицательно, второй - положительно, j₁ и j₂ - потенциалы первого и второго металла. Процесс перехода электронов от одного металла к другому происходит до тех пор, пока разность работ выхода А₁ и А₂ и различия количества свободных электронов и п₀₁ и п₀₂ в единице объема не уравновесятся противодействием возникшей контактной разности потенциалов. Контактная разность потенциалов зависит не только от свойств металлов, но и от температуры, увеличиваясь с повышением последней. В замкнутой цепи, образованной несколькими металлическими проводниками, все спаи которых находятся при одинаковой температуре, невозможно возникновение электродвижущей силы за счет только контактной разности потенциалов. Для того чтобы возникла э.д.с. в цепи и в цепи появился ток, необходимо, чтобы спаи имели различную температуру. В этом случае возникнет термо- э.д.с., величина которой, прямо пропорциональна разности температур обоих спаев. Термоэлектрические явления в металлах используются для измерения температур. Для этого применяются термопары или термоэлементы. Термопары обладают большой чувствительностью и широким диапазоном, например, термопара железо-константан имеет чувствительность 5,3×10^-5 В/град и применяется для измерения температур до 500° С, термопара платина- платинородий - 6×10^-5 В/град и применяется для измерения температур от самых низких до тысяч градусов.

Если составить замкнутую цепь из двух спаянных с концов разнородных металлов, которую называют термопарой, или термоэлементом (рис. 1), то в местах спая А и В возникает противоположная контактная разность потенциалов. При одинаковых температурах суммарная контактная разность потенциалов в цепи равна нулю. Будем спай А поддерживать при температуре Т₁, а спай В - при Т₂ и допустим, что Т₁ >Т₂.. Обозначая контактную разность потенциалов в спаях A и B соответственно Dj₁ и Dj₂, нетрудно заключить, что Dj₁>Dj₂. Следовательно, в цепи есть какая-то разность потенциалов . Эту разность потенциалов называют термоэлектродвижущей силой. В цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим током I, величина которого определяется термоэлектродвижущей силой и сопротивлением цепи. Это можно записать так: , где R_i - внутреннее сопротивление термоэлемента, R₀- внешнее сопротивление цепи, на которую замкнут ток.

Для некоторых термоэлементов можно принять, что возникающая термоэлектродвижущая сила пропорциональна разности температур спаев, т. е.

.

(3)

Здесь e₀ -термоэлектродвижущая сила, возникающая при разности температур в 1⁰ С, является величиной постоянной для каждой пары металлов, образующих термоэлемент.

Е сли разность потенциалов измерять чувствительным гальванометром, то отклонение его подвижной части будет пропорционально силе тока.

На зависимости между отклонением подвижной части гальванометра и разности температур основан термоэлектрический метод измерения температур. Для этого термоэлемент должен быть предварительно проградуирован. Результаты градуировки изображаются в виде графика или в виде формулы. Градуировкой термопары называется определение экспериментальным путем зависимости термоэлектродвижущей силы e_t, возникающей в термопаре от разности температур DТ ее спаев, т. е. e_t=f(DT).

ИЗМЕРЕНИЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Собирают установку по схеме, показанной на рис.1. Проверяют равенство температур в сосудах, при этом стрелка гальва­нометра должна стоять на нуле.

2. Сосуд, в котором находится спай А, нагревают . Благодаря конвекционному движению воды температура спая будет повышать­ся и в термоэлементе возникает ток. Через равные интервалы изменения температуры, например через 5 градусов, фиксируются показания гальванометра. Опыт проводят до тех пор, пока стрел­ка гальванометра не дойдет до конца шкалы. Затем нагревательный прибор выключают, сосуд А ставят в холодную воду и доводят до полного остывания, т.е. до достижения начальной температуры. При этом также записываются показания гальванометра.

3. Находят среднее значение тока, термоэлектродвижущей силы при нагревании и остывании. На основании опытных данных строят графики: I=f(t), e_t=f(t).

4. Результаты опыта занести в таблицу 1. Значение чувствительности термопары железо-константан e₀=5,3×10^-5 В/град.

Таблица 1.

№

При нагревании спая

При остывании спая

<I>

<e>

T1

T2

I1

e1

DT

T1

T2

I2

e2

DT

1. 2. 3.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Как объясняют контактную разность потенциалов?

2. Как возникает термоэлектродвижущая сила?

3. Практическое применение термоэлемента?

№29 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.