374
.docЭффект Зеебека. Определение термо-ЭДС как функции разности температур
Цель работы: Изучить явление Зеебека и принципы работы с термопарой.
Решаемые задачи:
-
изучить электрические методы измерения температур;
-
познакомиться с устройством термопары и принципами её включения в цепь;
-
приобрести навыки работы с термопарой;
-
познакомиться с принципами работы микровольтметра с цифровым универсальным датчиком Mobil-CASSY;
-
проградуировать термопару;
-
определить удельную термоэдс.
Явление Зеебека состоит в возникновении электродвижущей силы (термоэдс) в электрическом контуре, состоящем из двух разнородных проводников А и В, контакты между которыми поддерживаются при разных температурах. Это явление лежит в основе конструкции термопары – весьма распространенного компактного, сравнительно точного, электрического метода измерения температур в диапазоне от 20 К до 1500 К. В основе этого явления лежат следующие факторы.
Когда соприкасаются два разнородных металлических провода с различными энергиями Ферми EF, то электроны движутся от одного металла к другому. Металл с меньшей работой выхода электронов WA испускает электроны и приобретает положительный заряд. Передача не остановится, пока не будет достигнута контактная разность потенциалов ,
где е – элементарный заряд.
На формирование контактной разности потенциалов влияют также различные концентрации свободных электронов в соприкасающихся металлах.
Если провода собраны вместе таким образом, что они представляют собой замкнутую цепь с измерительным элементом, и при этом две точки контактов имеют перепад температур Т = Т1 - Т2, то генерируется термоэлектродвижущая сила, термоэдс
UT=U(T1) ‑ U(T2).
Здесь удельная или дифференциальная термоэдс
зависит от комбинации двух металлов. Лабораторные термопары состоят из двух металлических проволок (А и В) диаметром сечения от 0,1 до 1.0 мм, которые для получения хорошего контакта спаяны или сварены на концах в пламени дуги. В ряде случаев для градуировки термопар используют некоторые заранее известные значения температур (реперные точки). Например, в качестве реперных точек принимают температуры таяния льда (0 С = 273 К), кипения воды (100 С = 373 К), кипения жидкого азота (-196 С = 77 К).
Рис. 1. Устройство и принципы включения термопары.
В исследуемом эксперименте, термо-ЭДС UT измеряется как функция разности температур Т между двумя точками контакта для термопар с комбинациями двух разнородных металлов А и В: железо/константан, медь/константан и хромо-никелевый сплав/константан. Одна точка контакта (Т1) нагревается на водяной бане, а другая (Т2) постоянно поддерживается при комнатной температуре. Это может быть температура таяния льда или комнатная температура. В нашем экспиременте (Т2) - это контакт второго конца термопары с микровольтметром при комнатной температуре. Удельная термо-ЭДС определяется путем подгонки наиболее подходящей прямой линии для измеренных значений:
Рис. 2. График зависимости термоэдс в зависимости от температуры для различных типов термопар.
Аппаратура
Термопары простые, набор (1-3): (хромо-никелевый сплав / константан; железо / константан, медь / константан);
Зажимные подключатели (4);
Микровольтметр (5) с универсальным переносным цифровым сенсорным датчиком Mobil-CASSY (6);
Электрическая плитка или другой нагреватель (7);
Термометр, -10 ... +110 °C/0.2 K (8);
Лабораторный стакан, 400 мл, приземистый (низкий и широкий) (9).
Фото. Внешний вид установки с номерами.
Порядок выполнения работы:
-
Подключить свободные концы термопары к 2-м зажимам микровольтметра, которые находятся в торце универсального сенсорного датчика Mobil-CASSY.
-
Один из спаев термопары (Т1) опустить в лабораторный стакан с нагревателем.
-
Включить цифровой датчик микровольтметра нажимая на “Menu”. Нажимая верхние
кнопки Вы включаете показания термопары. Зафиксировать начальное показание
микровольтметра при комнатной температуре Т2.
-
Включить плитку или нагреватель. Помешивая воду, следить за температурой Т1 посредством термометра.
-
Через каждые 5-8 град. снимать показания стеклянного термометра и микровольтметра. Показания заносить в таблицу. Наиболее точные показания получатся, если измерения производить в процессе нагревания, а затем в процессе остывания. Брать средние значения показаний приборов.
-
Построить график зависимости U(T1) в температурном интервале от 20 С до 90 С или
293 – 363 К.
7. По тангенсу угла наклона прямой U(T1) определить среднее значение удельной термоэдс . Сравнить значения , вычисленные для различных интервалов температур (Т1 – Т2), между собой. Определить материал термопары. Сопоставить экспериментальные и теоретические значения удельных термоэдс .
Основные результаты
1. Данные измерений представить в виде градуировочного графика для различных термопар.
2. Привести экспериментальные значения удельных термоэдс для всех измеренных комплектов термопар.
Сделать выводы с анализом полученных результатов