лаби фізикаi / Готові лаби по фізиці / LABA2-& / 2-10

Лабораторна робота № 2-10

Експериментальне визначення термо-е.р.c. термопари

Мета роботи: набути навиків експериментального визначення коефіцієнта термо-e.p.c. термопари.

Прилади і матеріали: хромель-алюмелева термопара; два термометри; електрична пічка; потенціометр ПП-63.

Теоретичні відомості

Коло явищ, пов’язаних з виникненням термоелектричного струму при різній температурі контактів, а також явищ Пельтьє і Томсона, дістали назву термоелектричних явищ.

Розглянемо замкнене коло, складене з двох різнорідних металів А і В (рис.1). Місця спаїв 1 і 2 будемо підтримувати при однаковій температурі. В місцях контактів 1 і 2 виникнуть контактні різниці потенціалів ₁ - ₂, але в колі струму не буде:

(1)

де А₁ і А₂ – роботи виходу електронів із металів;

k – стала Больцмана;

Т – абсолютна температура;

n₁ і n₂ – концентрації вільних електронів в металах;

e — заряд електрона.

Це пояснюється тим, що у тонкому шарі контакту двох металів виникає подвійний електричний шар і його поле гальмує дальший перехід електронів — настає динамічна рівновага.

При нагріванні спаїв 1 і 2 до різних температур Т₁ і Т₂ , у колі виникає струм, а термо-е.р.с. буде дорівнювати різниці контактних різниць потенціалів ₁-₂ :

(2)

де — стала термопари , яка дорівнює е.р.с., що виникає при різниці температур спаїв в 1°С. Таким чином, з формули (2) видно, що е.р.с. термопари пропорційна різниці температур її спаїв.

Експеримент показує, що стала термопари С у різних пар металів і даної пари металів для різних температурних інтервалів має різне значення. Отже, треба визначити диференціальні значення сталої термопари для окремих температурних інтервалів:

(3)

Термопарою називають пристрій з двох різнорідних провідників, з’єднаних між собою надійним контактом (зварені або спаяні) (рис.1).

Явище виникнення е.р.с. в термопарі (2), спаї якої знаходяться при різних температурах, називається ефектом Зеєбека.

При включенні в термопарне коло джерела сторонньої е.р.с. і виникненні при цьому у колі струму, спаї термопари будуть охолоджуватись або нагріватись. Це явище носить назву явища Пельтьє. При цьому теплова енергія або поглинається, або виділяється.

 Q = П I t, (4)

де П – коефіцієнт Пельтьє;

t – час;

I – величина струму.

Термопари широко застосовуються для вимірювання і контролю за сталістю температури — це так звані термоелектричні термометри, які складаються з термопари і приладу, що вимірює термо-е.р.с..

Явище Пельтьє реалізується в численних пристроях і термостатах, в яких охолодження або стабілізація температури може здійснюватись аж до -130С.

Перевагою всіх термоелектричних пристроїв, як металевих так і напівпровідникових є їх простота, висока надійність, повна автономність, безшумність, мініатюризація і т.п. Недоліком таких пристроїв є низький к.к.д., який не перевищує 10-12%.

Для збільшення величини термо-е.р.с. термоелементи збирають в батареї (рис.2)

Парні спаї такої термобатареї підтримують при одній температурі, а непарні — при іншій.

Залежно від інтервалу робочих температур на практиці застосовують такі типи термопар:

1. До 1900 К — група ПП, платина- платинородій, С= 6,410^-3 мВ/К.

2. До 1300 К— група ХА, хромель- алюмель, С= 4, 210^-2 мВ/К.

3. До 900 К— група ХК, хромель-копель, С= 6,9510^-2 мВ/К.

4. До 600 К— група МК, мідь-копель, С= 4,7510^-2 мВ/К.

5. До 500 К— група МК, мідь-константан, С=410^-2мВ/К.

У даній лабораторній роботі визначається термоелектрична стала С хромель-алюмелевої термопари. Лабораторна установка складається згідно рис.3.

На рис.3: А— термостат — посудина, заповнена рідиною при кімнатній температурі; В — нагрівальна пічка; D — потенціометр постійного струму ПП63; К-термометри; М-термопара.

Порядок виконання роботи

1. Перед початком виконання лабораторної роботи лаборант приводить потенціометр ПП-63 до робочого стану. При цьому виставляється робочий струм і така напруга, що при однаковій температурі спаїв гальванометр, в колі потенціометра, повинен знаходитись на відмітці “нуль”.

2. Включити електричну пічку і через кожні 5°С виміряти величину термо-е.р.с. в мВ. Вимірювання продовжувати до 80-90°С.

3. Результати вимірювань термо- е.р.с. і температури занести в таблицю.

4. На міліметровому папері побудувати графік залежності =f (T).

5. Користуючись одержаним графіком, визначити коефіцієнт термо-е.р.с. С, який у цьому випадку чисельно буде рівний тангенсу кута нахилу одержаної прямої до вісі температур.

6. Оцінити похибки вимірювань.

	εPC
15	0 мВ
20	2/3 мВ
25	1 мВ
30	3/3 мВ
35	2 мВ
40	7/3 мВ
45	9/3 мВ
50	3 мВ
55	10/3 мВ
60	14/3 мВ
65	4 мВ
70	14/4 мВ
75	5 мВ
80	16,5 мВ
85
90