ЧФ ПНИПУ. Лабораторные работы по физике

Министерство образования и науки российской федерации

Чайковский филиал

федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

(ЧФ ПНИПУ)

Кафедра гуманитарных и естественнонаучных дисциплин

Лаборатория физики

Электромагнетизм

Лабораторная работа №4

"Градуировка термопары"

2011

Цель работы: ознакомиться с методом градуировки термопары.

Приборы и принадлежности: термопара, термометр, колба с водой, электроплитка, потенциометр (прибор для измерения ЭДС источника тока. Принцип действия и описание его даны в работе №3) или гальванометр.

Сведения из теории.

Т ермопара представляет собой два разнородных проводника (I и II), соединенные своими концами (рис 4.1,а). Места соединений называют спаями (А и В). Если температуры спаев не одинаковы (например, Т_А, Т_В), то в цепи термопары потечет ток (термоток) – явление Зеебека.

Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС (ε), пропорциональна разности температур “горячего” (А) и “холодного” (В) спаев

, (4.1)

где α – удельная термо-ЭДС определяется свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, для пары железо – константан α = 5,310^-5 В/К.

возникновение термотока при Т_АТ_В связано с наличием разных по величине контактных разностей потенциалов (КРП) в спаях А и В. КРП в любом из спаев определяется выражением

(4.2)

где А₁ и А₂ – работа выхода электрона соответственно из металлов I и II; е – заряд электрона; K – постоянная Больцмана; п₁, п₂ – концентрации электронов в I и II металлах.

При одинаковых температурах спаев их КРП одинаковы, но противоположны по направлению. ЭДС, равная алгебраической сумме скачков потенциалов в цепи, равна, в этом случае, нулю (имеем как бы два одинаковых источника тока, соединенных одинаковыми полюсами (рис. 4.1,б))

Если Т_АТ_В, то , ,

что совпадает с формулой (4.1), если

Используются термопары чаще всего для измерения высоких (или низких) температур. Для этого горячий спай помещают в среду, температуру Т которой хотят узнать (Т_А=Т), а холодный спай – в среду с известной температурой (Т_В=Т₀) (например, в тающий лед). Измерив термо-ЭДС (термоток) и зная α, по формуле (4.1) легко вычислить Т. Удобно при измерениях иметь предварительно проградуированную термопару. В этом случае нет необходимости в знании α.

По измеренным ЭДС и Т непосредственно по графику ε=f(∆Т=Т–Т_В) определяют ∆Т, а значит и Т. Задача данной лабораторной работы состоит в том, чтобы получить градуировочную кривую. Градуировку термопары производят по той же схеме (рис. 4.2), что и при измерениях температуры, с той лишь разницей, что горячий спай здесь помещают в среду, температуру которой можно измерить независимым от термопары способом (обычным термометром).

Примечание. Очень часто холодный спай оставляют при температуре окружающего воздуха (особенно при измерении температур в производственных условиях). В этом случае нет необходимости специально его создавать. Роль такого спая играет любой из векторов (В₁ или В₂) проводника термопары (рис. 4.3) с измерительным прибором.

Порядок выполнения работы

1. Горячий спай термопары (он вместе с термометром помещен в пробирку с жидкостью) опустить в колбу с водой, установленную на электроплитке.

2. Концы термопары (здесь термопара такая, как на рис. 4.3) присоединить непосредственно к зажимам потенциометра (красный провод к “+”).

3. Измерить и записать температуру холодного спая – комнатную температуру. Эти и последующие измерения занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

№ п/п	Т0	Ti	εi	∆Ti		εi∆Ti
1
2
3
…
7
Сумма

1. Включить плитку в сеть и довести воду в колбе до кипения.

2. Измерить температуру горячего спая и с помощью потенциометра определить термо-ЭДС (ε).

3. Выключить плитку. Следя за температурой горячего спая. Произвести 6-7 измерений ЭДС (п. 5) при других температурах – приблизительно через каждые 10°.

Примечание. Пока производятся измерения, температура воды, т.е. горячего спая понизится. В таблицу следует записать температуру, соответствующую концу измерений.

4. По измеренным данным нанести точки на график ε=f(∆Т), не проводя пока линии самого графика.

5. По формуле , которая следует из метода наименьших квадратов, вычислить α, совпадающий с тангенсом угла наклона прямой ε=f(∆T) к оси абсцисс.

6. По данным п. 8 построить график ε=f(∆T). Это и есть градуировочный график, которым можно воспользоваться при измерении температур данной термопарой.

Контрольные вопросы

1. Работа выхода электрона из металла.

2. Контрольная разность потенциалов (КРП):

а) сущность явления;

б) законы Вольта;

в) величина КРП.

3. Явление Зеебека:

а) сущность явления;

б) объяснение явления.

4. Термопара (устройство, градуировка, использование).

5. Сущность явления Пельтье.

6. Сущность явления Томсона.

7. Сущность метода наименьших квадратов для установления эмпирической зависимости между величинами.

8. Преимущества термопары по сравнению с термометрами.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие в 5-ти кн. - М.: ООО Изд-во «Астрель»; ООО «Изд-во АСТ», 2002.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие.-7-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2003.

3. Ремизов А.Н. Курс физики: учебник для вузов. - М.: Дрофа, 2002.

4. Костко О.К. Физика для строительных и архитектурных вузов: учеб. пособие. - Ростов н/Д.: Феникс, 2004.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Электромагнетизм. Лабораторная работа № 4 стр. 4