Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный университет Одесская морская академия (бывш. ОНМА)

Предмет:

Физика

Файл:

ЛР4-4р

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

10.02.2016

Размер:

328.53 Кб

Скачать

☆

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Одесская национальная морская академия

Кафедра физики и химии

Лабораторная работа № 4-4

Градуировка термопары

УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

Составили: В.И. Михайленко,

А.А.Горюк,

Ф.А.Птащенко

Утверждено на заседании кафедры, протокол № 2 от 29 сентября 2011 г.

Одесса – 2011

Лабораторная работа № 4 4 ГРАДУИРОВАНИЕ ТЕРМОПАРЫ

1.Теоретическая часть

1.1.Контактная разность потенциалов

В1797 году А. Вольта установил, что при контакте двух разных металлов между

ними возникает разность потенциалов*. Также Вольта установил, что при последовательном соединении нескольких металлов на концах проводников возникнет разность потенциалов, которая зависит только от природы крайних проводников и не зависит от того, какие проводники находятся между ними. Указанная разность потенциалов, которая возникает при контакте двух разных проводников, называется контактной разностью потенциалов. Контактная разность потенциалов для разных пар металлов колеблется в пределах 0,1 1 B .

Рассмотрим механизм возникновения контактной разности потенциалов.

	1	6		Возьмем незамкнутыё контур из двух металлов А и В (рис.1)
2	1	6	5	и проследим изменение потенциала при обходе контура
2			5	и проследим изменение потенциала при обходе контура
				через точки 1 – 6.
А			Б	Потенциальная энергия электронов в точке 2 (в
				металле) меньше, чем в точке 1 (в вакууме возле
	3	4		поверхности металла), то есть электроны в металле
				находятся на дне потенциальной ямы (рис. 2). Для того
	Рис. 1			чтобы „выбраться из ямы” (вылететь из металла) электрон
				должен иметь избыточную энергию, которую называют

работой выхода АВ. Это связано с тем, что близ поверхности металла существует электрическое поле, которое препятствует электронам

выходить из металла в окружающий вакуум. Наличие этого

метал

вакуум

поля обусловлено двумя причинами. Во первых, если

электрон (заряженный отрицательно) вылетел из металла,

АА

то на поверхности металла возникает положительный

заряд, который притягивает этот электрон. Вторая причина

обусловлена тем, что возле поверхности металла в

вакууме существует очень тонкое „электронное облако”,

Рис. 2

которое заряжено отрицательно и отталкивает электроны,

которые стараются вылететь из металла. Итак, между точками 1 и 2 существует перепад энергий и разность потенциалов, которая равняется

		2
	АА	(1)
	В
	е
12	е

где АВА – работа выхода из метала А, е – заряд электрона. Работу выхода по обыкновению измеряют в электрон вольтах (эВ). Один электрон вольт равняется работе, которую выполняет поле при перемещении электрона между точками с разностью потенциалов 1 вольт; 1эВ=1,6 10 19 Дж. Для разных металлов АВ порядка единиц электрон вольт.

Рассматривая дальше изменение потенциала, отметим, что в точках 2 и 3 потенциалы будут одинаковыми, поскольку эти точки относятся к одному и тому же металлу. Но в точках 3 и 4 потенциалы будут разными. Разность потенциалов между этими точками (между металлами разной природы) AБ называется внутренней контактной разностью потенциалов (сокращенно – внутренняя КРП). Упрощенно ее наличие можно объяснить так. Если концентрации электронов (количество электронов в единице объема) в металлах А и Б будут разными, например, nА nБ , то электроны перейдут из металла А в металл Б (будет происходить диффузия электронов так же, как и диффузия молекул газа – в сторону выравнивания концентрации). Металл А зарядится положительно, а металл Б – отрицательно, между металлами возникнет электрическое поле и разность потенциалов. Для того чтобы попасть из металла А в металл Б (от „+” к „–”) электронам надо двигаться против этого поля, тратить энергию, то есть „забираться на потенциальную ступеньку”, высота которой равняется е AБ (рис. 3). Оценим количественно величину AБ . Поведение электронов в металле аналогично поведению молекул газа. Концентрация электронов, как и концентрация молекул газа, подчиняется распределению Больцмана*:

		WА	WБ WA		е АБ
n		e kT	WБ WA		е АБ

	A		e kT	e kT ,		(2)
	A	W	e kT	e kT ,		(2)
nБ		Б
nБ		e kT

где учтено, что разность между энергиями электронов в металлах Б и А равняется

WБ WА e АБ .

*) Потенциал – энергетическая характеристика поля. Потенциал в данной точке поля численно рамен потенциальной энергии единичного положительного заряда, помещённого в данную точку поля: WП q . Потенциал измеряется в вольтах: 1В 1 ДжКл. Если заряд

поместить в электрическое поле, то под действием поля заряд будет двигаться, а поле будет выполнять работу. При этом разность потенциалов 1 2 между двумя точками численно равняется работе электростатических сил по перемещению единичного заряда из одной точки в другую: 1 2 Aq .

*) Распределение Больцмана для молекул газа3показывает, какой будет концентрация молекул

mgh

n на высоте h : n n0e kT , где n0 – концентрация молекул на уровне моря, k – постоянная Больцмана, Т – температура, mgh – энергия молекулы газа на уровне моря. Распределение Больцмана применимо и для произвольных частиц (в том числе и для электронов), находящихся в потенциальном поле (и в частности, в электростатическом). Оно показывает, что концентрация

частиц уменьшается с ростом их энергии W : n n0e kT

Из выражения (2) можно найти внутреннюю разность потенциалов:

АБ kT ln nA		(3)
e nБ
При комнатной температуре (Т 300 К ) kT	e 0,026eB , а величина ln nA	nБ 1.
Тогда АБ будет порядка 10 2 10 3 В.

W	А	Б
W

АА
В	3 4
2	3 4

		Вернемся к рассматриванию изменения
		потенциала в цепи из металлов А и Б. Как было
		потенциала в цепи из металлов А и Б. Как было
		объяснено выше, потенциалы в точках 4 и 5
		объяснено выше, потенциалы в точках 4 и 5
	е Зовн	будут одинаковыми, а между точками 5 и 6
6	е Зовн	возникнет разность потенциалов, которая
5	АВБ	равняется работе выхода электрона из
5	е AБ	металла Б:

Рис. 3

	АБ	(4)
	В
	е
12

Итог проведенного анализа дает рис. 3, на котором показана потенциальная энергия электронов во всех рассматриваемых точках круга. В конце заметим, что разность потенциалов между точками 1 и 6 (в зазоре между металлами А и Б), называется внешним контактным разностью потенциалов, Зовн . Из рис. 3 видно, что она равняется

	АА АБ
вн	В В	АБ	(5)

	е

Поскольку внутренняя КРП АБ ~ 10 2 10 3 В, а работы выхода порядка единиц электрон вольт, то можно говорить, что внешняя контактная разность потенциалов обусловлена в основном разностью работ выхода электронов.

1.2. Эффект Зеебека

Если два разных металла соединить с обоих концов, то получим замкнутую цепь, изображенную на рис. 4. Потоки электронов из металла А (с большей

концентрацией) пойдут в металл Б. Металл А зарядится положительно, металл Б –
	T1 T2			отрицательно. На обоих контактах между металлами
	T1 T2			возникнет внутренняя КРП АБ1 и	АБ2 . Если
		_		возникнет внутренняя КРП АБ1 и	АБ2 . Если
	+	_		температуры контактов одинаковы, то потоки
	+			электронов через оба контакты будут одинаковыми,
	АБ1			одинаковыми будут также и КРП на этих контактах
				одинаковыми будут также и КРП на этих контактах
А		І	Б	АБ1 АБ2 . Но направления потоков электронов и
				знаки КРП будут противоположными на первом и
	АБ2			втором контактах. Тогда суммарный поток электронов
	+			(ток) и сумма КРП (суммарная ЭДС*) будут равняться
	T2			нулю.
	T2			Пусть теперь температуры контактов будут
				Пусть теперь температуры контактов будут
	Рис. 4			разными, например, температура верхнего контакта
				будет большей, T1 T2 (рис. 4). Упрощенно можно

сказать, что на контакте с большей температурой скорость электронов будет большей и их поток в металл Б будет большим, чем на нижнем контакте. Тогда суммарный поток электронов и ток І в цепи будут отличными от нуля. Внутренние КРП на верхнем и нижнем контактах также будут разными, АБ1 АБ2 , а суммарная ЭДС в цепи будет равняться их разности:

E АБ1 АБ1

где

kT1 ln nA kT2		ln nA	k ln	nA	T1 T2 α T1 T2

e nБ	e	nБ	e nБ

α= k ln nA e nБ

(7)

*) ЭДС (электродвижущая сила) численно равняется работе сторонних сил (не электростатического происхождения) по перемещению единичного заряда по всей цепи:

В замкнутом контуре электрическое поле толкает положительный заряд от высокого потенциала к низкому (от „+” к „–”, рис. 1*), а затем сторонние силы (например, химические – в батарейке) снова перемещают заряд в область высокого потенциала ( от „–” к „+”). Таким образом, осуществляется кругооборот зарядов в замкнутой цепи постоянного тока. ЭДС измеряется в вольтах.

	Таблица 1

α, mB	Пары металлов
C
0,04	медь – константан
0,0504	железо – константан
0,0064	платина-платина+10% родия
0,08	хромель – капель

– коэффициент термо ЭДС или термосила.

Термосила численно равняется термо ЭДС, которая возникает в цепи из двух разнородных проводников, если разность температур контактов равняется единице. Величина термосилы составляет порядка

сотых милливольт на градус. Ее значение для нескольких пар металлов представлены в таблице 1.

Таким образом, эффект Зеебека состоит в возникновении ЭДС и тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников, если температуры контактов будут разными.

1.3. Применения эффекта Зеебека. Термопары

		Эффект Зеебека используется при измерении очень высоких и очень низких
					температур в так называемых термопарах.
			V		Термопары представляют собой две проволоки
					из разных металлов, для которых известно


					значение термосилы (рис. 5). В месте контакта
	А	Б			проволоки	спаивают или	сваривают. Один
					контакт помещают в среду с известной


	T			T0	температурой T0 , например в сосуд со льдом,
	T			T0	который тает, а другой – в место, где надо
					который тает, а другой – в место, где надо
			Рис. 5		измерить температуру Т. Термо ЭДС, которая
					измерить температуру Т. Термо ЭДС, которая
					возникает при этом, измеряют с помощью
					возникает при этом, измеряют с помощью
вольтметра V. Из формулы (6) вытекает, что эта ЭДС пропорциональна разности
температур, T T0 . Поскольку термосила α						и температура	T0 известны,	то
показания вольтметра дают нам значение температуры:
							/.	(8)

Для термопары, сделанной из двух данных металлов, вольтметр V может быть проградуирован прямо в C .

Термоэлектрический термометр (в основе которого лежит термопара) имеет ряд преимуществ перед другими измерителями температуры:

1.Термопары дают возможность измерять очень высокие (до 1700 C ) и очень низкие (до 270 C ) температуры.

2.Если вольтметр или потенциометр, с помощью которого измеряют термо ЭДС , будет довольно точным, то такой прибор позволяет измерять очень малые различия температур (до 10 6 C ).

3.В термопарах неэлектрический сигнал превращается в электрический, благодаря чему можно выполнять дистанционное и автоматизированное измерения температур.

4.Благодаря малым размерам спаев термопар температуру можно измерять в очень малых объектах (диаметры спаев могут быть до 0,1мм).

5.Малая инерционность дает возможность применять термопары в процессах с быстрым изменением температуры.

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель работы

Проградуировать термопару, то есть установить зависимость ЭДС термопары от разности температур спаев.

2.2. Приборы и оборудование

Потенциометр (для измерения ЭДС), микротермостат (нагреватель), термопара, термометр.

2.3. Описание экспериментальной установки. Вывод рабочей формулы

		На		рис.		6	показана			схема
П		экспериментальной					установки			для
		градуирования термопары. Один спай
		термопары погружен в стакан с тающим
t		льдом	(или		в	воздухе		с	известной
		комнатной температурой T0 ). Второй спай

		погружен в стакан с водой, температуру
T	T0	которого		можно		повышать		с	помощью
нагрівач		нагревателя. Для измерения температуры в
		стакан	с	водой		помещен термометр t .
Рис. 6		Потенциометр				П	дает	возможность
		измерять		ЭДС, которую генерирует
термопара.

2.4.Порядок проведения измерений и расчетов

1.Ознакомьтесь с правилами работы с потенциометром.

2.На термостате включите нагреватель стакана. После повышения температуры на 3 4 C измерьте потенциометром ЭДС термопары. Такие измерения проведите

для 10 12 значений температуры. Результаты занесите в таблицу 2.

				Таблица 2

№	T , C	E , mB	№	T , C	E , mB	№	T , C	E , mB
1			5			9
2			6			10
3			7			11
4			8			12

3.Постройте график зависимости ЭДС термопары от температуры, E f T (рис.7).

4.Определите среднее значение термосилы α

термопары. Для этого выберите на полученной прямой E T две точки А EA ,TA и В EB ,TBf

и воспользуйтесь формулой:

α EB EA (9)

TB TA

5. По значению термосилы α с помощью таблицы

1 определите материал проводников термопары.

Контрольные вопросы

0,3	E , mB
	EB	В
0,2

0,1 EA

TA TB

20 30 40 50 60 T , C

Рис. 7

1.Что называется контактной разностью потенциалов (КРП)?

2.От чего зависит КРП, если последовательно соединить несколько металлов?

3.Что такое работа выхода электрона из металла? Чем объясняется ее возникновение.

4.Объясните механизм возникновения внутренней КРП? Получите выражение для

АБ .

5.Нарисуйте график изменения потенциальной энергии электрона по незамкнутой цепи, которая состоит из двух разных металлов (рис. 3) и объясните его.

6.Что такое внешняя КРП, чему она равняется и чем определяется?

7.В чем состоит эффект Зеебека? Объясните его механизм.

8.Получите формулу для термо ЭДС, которая возникает в эффекте Зеебека (выражение (6)).

9.Что такое термосила? В каких единицах она измеряется? Какого порядка ее величина?

10.Что такое термопары? Как с их помощью измеряют температуру?

11.Какие преимущества имеют термоэлектрические термометры по сравнению с другими?

12.Что означает выражение „проградуировать термопару”?

13.Объясните порядок проведения измерений и расчетов.

Литература

1.В.И. Михайленко, В. М.Белоус, Ю.М. Поповский. Общая физика, 1994 – С. 198 – 203.

2.С.Г. Калашников. - Электричество. - С. 468 – 484.

Соседние файлы в папке pdf-формат

#
10.02.2016321.47 Кб47ЛР4-1р.pdf
#
10.02.2016342.71 Кб61ЛР4-2р.pdf
#
10.02.2016277.5 Кб50ЛР4-3р.pdf
#
10.02.2016328.53 Кб45ЛР4-4р.pdf
#
10.02.2016380.6 Кб47ЛР4-5р.pdf
#
10.02.2016320.9 Кб44ЛР4-7р.pdf
#
10.02.2016396.7 Кб40ЛР4-8р.pdf