Лабораторная работа № изготовление и градуировка термопар

1. Цель работы:

1. Изучение классической электронной теории термоэлектрических явлений.

2. Освоение методики изготовления термопар из различных материалов.

3. Градуировка изготовленной термопары и проверка качества градуировки.

2 Литература:

1. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие для студентов втузов.-2-е изд., перераб. - М.: Наука, 1989. - Т.1.: Механика. Молекулярная физика. -350 с.

2. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учеб. пособие для вузов.- М.: Высшая школа, 1981. - 400 с., ил.

3. Сивухин Д.В. Термодинамика и молекулярная физика: Учеб. пособие для вузов.- 3-е изд., испр. и доп. - М.: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.- 592 с. - (Общий курс физики; Т. 2).

4. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб и доп. - М.: Высш. шк., 1990. - 478 с.

5. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

3. Теоретическое введение

Рассмотрим возникновение контактной разности потенциалов на границе двух разнородных металлов А и В (рис. 1).

Рис. 1

С позиций классической электронной теории проводимости металлов возникновение контактной разности потенциалов обусловлено следующими двумя причинами:

1. Отличием работы выхода электронов в различных металлах.

2. Отличием концентрации электронов в соприкасающихся металлах.

Пусть, например, работа выхода электронов из металла А меньше работы выхода электронов из металла В ( ). Тогда электронам легче выходить из металла А и перейти в металл В , чем переходить из металла В в металл А. Поэтому электроны преимущественно переходят по направлению 1 , металл В будет иметь избыток электронов, т.е. заряжаться отрицательно, в то же время металл А, имеющий недостаток электронов, будет заряжаться положительно. Возникает контактная разность потенциалов. При этом величина контактной разности потенциалов определяется следующим соотношением:

, (1)

где - заряд электрона.

Положим далее, что концентрация электронов в металле А выше концентрации электронов в металле В ( ). Тогда в результате диффузионных процессов электроны будут переходить из металла А, где их концентрация больше, в металл В, где концентрация электронов меньше. Преимущественный переход электронов в этом случае определяется направлением 2 (рис. 1). Металл В будет заряжаться отрицательно, а металл А—положительно. Контактная разность потенциалов для данного случая определяется следующим выражением:

, (2)

где - постоянная Больцмана; - абсолютная температура рассматриваемых металлов и, следовательно, контакта; - заряд электрона; и - концентрации электронов в металлах А и В соответственно.

Результирующая контактная разность потенциалов может быть найдена как сумма выражений (1) и (2), т.е.:

(3)

Рассмотрим замкнутую цепь, составленную из двух металлов А и В, как это указано на рис.2. Такая замкнутая цепь называется термопарой.

Рис. 2

Пусть контакт 1 поддерживается при температуре Т₁, а контакт 2—при температуре Т₂. Тогда суммарная ЭДС в рассматриваемой цепи определится как алгебраическая сумма ЭДС на контактах 1 и 2, т.е:

(4)

Так как концентрация электронов практически не зависит от температуры, то выражение в первой скобке правой части соотношения (4) есть величина постоянная. Введем следующее обозначение:

(5)

Величина называется постоянной термопары.

С учетом введенного обозначения соотношение (4) будет иметь следующий вид:

(6)

Из уравнения (6) видно, что ЭДС термопары прямо пропорциональна разности температур спаев, если эта разность температур не очень велика.

Как показывают расчеты и экспериментальные исследования постоянная термопары С для металлов не превышает нескольких десятков микровольт на градус.

Таким образом, термопары, широко применяемые для измерения температур, представляют собой спаи двух проволок из разнородных материалов с известной термоэлектродвижущей силой. Материал термопар подбирается таким образом, чтобы в заданном температурном интервале не происходили фазовые превращения в металлах и сплавах. Схема подключения термопары при измерении температур представлена на рис.3.

Рис.3

Контакт (1) термопары помещается в исследуемую среду (печь 3), где измеряется температура , контакт (2) помещается в термостат (4) с определенной температурой (например, в сосуд со льдом). В ряде случаев в качестве термостата используется окружающая среда, в которой фиксируется температура. Термопара подключается к милливольтметру (5). Контрольная термопара для измерения температуры печи соединяется с электроизмерительным прибором, отградуированным в градусах Цельсия.