Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
7
Добавлен:
02.03.2016
Размер:
91.93 Кб
Скачать

Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет

27

Определение удельной ЭДС термопары

Методические указания к лабораторной работе для студентов всех специальностей дневной и заочной формы обучения

Ухта

2007

УДК 53(075) Ш 19

ББК 22.3 Я7

Богданов Н.П. Определение удельной ЭДС термопары [Текст]: метод. Указания/ Н.П. Богданов. - Ухта: УГТУ, 2007. – 7 с.; ил.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной р аботы по физике по теме «Термоявления» для студентов специальностей 290700, 290300 и направлению 5500100.

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой физики от 19.02.07 пр.№ 5.

Содержание методических указаний соответствует рабочей учебн ой программе.

Рецензент: Серов И.К., доцент кафедры физики Ухтинского государственного технического университета.

Редактор: Северова Н.А., доцент кафедры физики Ухтинского государственного технического университета.

В методических указаниях учтены пре дложения рецензента и редактора

План 2007 г., позиция 50

.

Подписано в печать 16.04.07 г.

Компьютерный набор.

Объем 7 с. Тираж 60 экз.

Заказ № 209

Ухтинский государственный технический университет, 2003 169300, г. Ухта, ул. Первомайская, 13

Отдел оперативной полиграфии УГТУ. 169300, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ЭДС ТЕРМОПАРЫ

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

В 1797 г. итальянский физик Вольта опытным путем установил, что при тесном соприкосновении двух разнородных между ними возникает разность потенциалов, зависящая только от их химического состава и температуры.

Под тесным соприкосновением подразумевается сближение поверхн о- стей металла на расстояние порядка размера ячейки кристаллической решетки, что может быть обеспечено, например, путем сварки металлов. Рассмотрим причины, вызывающие контактную ра зность потенциалов.

На рисунке 1 схематически изображена часть кристаллической решетки металла. Силы притяжения

кположительным ионам решетки, дейс твующие на

свободные электроны, находящиеся

внутри

м еталла,

 

в среднем взаимно уравновешиваются. Это дает

 

возможность

электронам свободно

передвигаться

 

внутри металла между узлами решетки. Если эле к-

 

трон выйдет за пределы металла

(через

повер х-

Рис.1

ность ), то на него станут действовать

неура в-

 

новешенные

силы притяжения со стороны ионов п о-

 

верхности металла и со стороны того

избыточного положительного зар я-

да, который возник в металле в связи с потерей

электрона e . Резуль-

тирующая

сила

F , направленная в сторону ме-

 

 

 

талла, возвратит электрон в металл. Таким

1

 

2

образом,

для

того чтобы покинуть металл и

 

уйти в окружающую среду, электрон должен

с о-

 

 

 

вершить

работу против сил притяж ения к

ме-

 

Рис. 2

 

таллу, действующих на расстоянии порядка

 

 

 

размера кристаллической ячейки (10-8 см).

 

 

 

уйти из

Работа A ,

которою необходимо совершить электрону, чтобы

металла в окружающую его пустоту, называется работой

выхода

электр о-

на из металла.

 

 

 

 

 

 

Осуществим теперь контакт двух различных металлов 1 и 2, имеющих

работу выхода

соответственно A1 и

A2 , причем

A1 A2

(рис.2) Очевид-

но, что свободный электрон, попавший (в процессе теплового движения) на поверхность раздела металлов, будет втянут во второй металл, так как со стороны этого металла на электрон действует большая сила пр и-

тяжения ( A2 A1 ). Следовательно, через поверхность соприкосновения

металлов происходит “перекачка” свободных электронов из первого металла во второй, в результате чего первый металл зарядится полож и- тельно, второй – отрицательно. Возникающая при этом разность поте н-

циалов 1 2 создает электрическое поле напряженностью E , которое

затрудняет дальнейшую “перекачку” электронов и совсем прекратит ее, когда работа перемещения электрона за счет контактной разности п о- тенциалов станет равна разности работ выхода:

e( 1 2 ) A2 A1 ,

откуда

A1 A2

 

 

 

,

(1)

 

1

e

 

 

 

 

 

где e - абсолютная величина заряда электронов.

Предположим теперь, что в контакт приведены два металла 1 и 2, имеющие одинаковые работы выхода A1 A2 , но различные концентрации

свободных электронов n01 и n02 n01 (число электронов в единице объе-

ма). Тогда начнется преимущественный перенос свободных электронов из первого металла во второй. В результате первый металл зарядится п о- ложительно, второй – отрицательно. Между металлами возникнет ра з-

ность потенциалов 1 2 , которая прекратит дальнейший преимущес т-

венный перенос электронов. Теоретический расчет показывает, что ра з- ность потенциалов от соотношения концентрации свободных электронов в

металлах и от температуры T :

 

 

kT

n

n01

,

(2)

 

 

1

2

e

 

n02

 

 

 

 

 

 

 

где k - постоянная Больцмана.

 

различающихся и работой вых о-

В общем случае контакта металлов,

да, и концентрацией свободных электронов, контактная разность поте н- циалов, согласно формулам (1) и (2), равна

 

 

 

 

 

A1 A2

 

kT

n

n01

.

(3)

1

2

 

 

 

 

 

 

e

 

e n02

 

 

 

 

 

 

 

 

Приведем в соприкосновение несколько (например, четыре) разн о- родных металлических проводников, имеющих од инаковую температуру (рис.3,а). Пользуясь формулой (3), легко показать, что сумма ко н- тактных разностей потенциалов соприкасающихся пар проводников

( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 4 ) 1 4 .

 

 

Следовательно, разность потенциалов на концах разомкнутой цепи,

составленной

из

нескольких

последовательно с о-

a )

 

 

 

 

 

единенных проводников, равна

контактной

разн о-

1

1

2 2 3

3

4

4

сти

потенциалов,

создаваемой

концевыми

прово д-

никами

(1 и

4),

и не зависит

от

промежуточных

б )

 

 

 

 

 

проводников (2 и 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соединить

ме ж-

 

 

 

 

 

 

 

 

Если теперь

непосредственно

 

 

 

 

1

4

ду собой концевые проводники (рис.3,б), то с у-

 

 

 

 

 

 

ществовавшая

между

ними разность потенциалов

 

 

 

 

 

 

1

4 ,

возникающей

в месте

контакта проводн и-

 

 

Рис. 3

 

 

 

ков 1 и 4. Поэтому контактная разность поте н-

 

 

 

 

 

 

циалов

не создает тока в замкнутой цепи

м еталлических проводников,

имеющих одинаковую температуру.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Составим замкнутую цепь из двух разнородных металлических пр о-

водников 1 и 2. Температуры контактов (спаев)

 

 

 

 

 

 

a

и

в

будем

поддерживать

различными:

Ta Tb

ua

,Ta

a I

b

Tb , ub

(рис.4). Тогда, согласно формуле (3),

ко н-

 

 

 

 

 

 

тактная разность потенциалов в горячем спае

 

 

 

 

 

 

больше, чем в холодном: U a

U b .

 

 

 

 

Рис. 4

 

 

 

 

В результате между спаями a и в возникает

 

 

 

 

 

 

разность потенциалов

 

( 1 2 )a ( 1 2 )b ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U a U b

 

 

 

 

 

называемая термоэлектродвижущей силой, а в замкнутой цепи пойдет ток I . Пользуясь формулой (3), получим

(

A1 A2

 

kTa

n

n01

) (

A1 A2

 

kTb

n

n01

) (Ta

Tb )

k

n

n01

e

e

 

 

e

 

 

 

 

 

 

n02

 

e

 

 

 

n02

 

e n02

Или

 

 

 

 

0 (Ta

Tb ) ,

 

 

 

(4)

 

где 0 - термоэлектродвижущая сила, возникающая при разности

температур в 10С, является величиной, постоянн ой для каждой пары металлов, образующих термоэлемент.

Замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различия те м-

пературы контактов между

проводниками,

называется термоэлементом,

или термопарой. Формула (4)

показывает,

что термоэлектродвижущая с и-

ла термопары пропорциональна разности температур спаев (контактов). Следует учитывать, что величина термоэдс чувствительна к внешним

механическим воздействиям, искажающим структуру металла и энергет и- ческие уровни электронов. Поэтому применяемые в технике и для на учных исследований термопары всегда нуждаются в тщательной индивид у- альной градуировке.

 

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ВЫВОД ФОРМУЛ

 

Работа

выполняется

на

установке,

 

 

схема которой представлена на рис.5.

 

 

Здесь H – нагреватель, Г - гальва-

 

 

нометр, a - горячий спай, в - холодный

 

 

спай, T1

и T2 - термометры, V - вольт-

 

 

метр цепи нагревателя, KH

и KV

- ключи.

 

 

Если

температуры

спаев

не

одинак о-

a

 

вы, то в

цепи будет

действовать терм о-

 

 

эдс и гальванометр покажет наличие

т о-

 

 

ка, величина которого определяется

в ы-

 

Рис. 5

ражением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

(5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RГ R

 

 

Так как

сопротивление гальванометра

RГ много больше сопротивле-

ния термопары и подводящих проводов, то,

пренебрегая

R , получим из

(5)

 

 

 

 

 

IRГ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6)

Величину тока можно определить по формуле I CN ,

(7)

где C - цена деления гальванометра

 

 

N - показания прибора. ( RГ и

C указаны на гальванометре)

Из формулы (4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

(8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

Наиболее точно значение 0 может быть определено из графика з а- висимости от T .

Так

как I N , то для

определения 0 достаточно

построить

график зависимости N от T и

по нему определить какое –

либо зна-

чение

и соответствующее ему значение T .

 

 

0

 

CNRГ

.

(9)

 

 

 

 

 

T

 

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1.Собирают электрическую цепь по схеме рис.5.

2.Включают ключи KH и KV.

3.Снимают показания гальванометра и термометра через 5 0 - 100 или 1-2 деления шкалы гальванометра. Запись показаний начинают с темпер а- туры горячего спая 45 – 500. Периодически проверяют температуру х о- лодного спая. Опыт прекращают при температуре горячего спая 85 - 900.

4.Результат измерений заносят в таблицу.

5.Строят график зависимостей N от T и, пользуясь графиком, вычисляют 0 .

Таблица измерений и вычислений

 

 

 

 

№ п/п T1

T2

T

N

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие явления называются термоэлектрическими?

2.Что такое термопара (термоэлемент)? Показать спаи а и б на рисунке 5.

3.Что называется термоэлектродвижущей силой?

4.В чем причина возникновения контактной разности потенциалов?

5.Объясните механизм возникновения контактной разности потенциалов согласно зонной теории.

6.Что называется удельной термоэлектродвижущей силой?

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

1.Термопара медь-константан с сопротивлением R 1=5 Ом присоединена к гальванометру, сопротивление R 2 которого равно 100 Ом. Один спай те р- мопары погружен в тающий лед, другой - в горячую жидкость. Сила тока

I в цепи равна 37 мкА. Постоянная термопар ы k=43мкВ/К. Определить температуру t жидкости. Ответ 90°С.

2.Сила тока I в цепи, состоящей из термопары с

сопротивлением R 1=4

Ом и гальванометра с сопротивлением R

3=80 Ом, равна 26 мкА при разн о-

сти температур ∆t спаев, равной 50°С. Определить

постоянную k термо-

пары. Ответ 4,4·10-5В/К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Возникнет ли термоэлектродвижущая с и-

 

 

 

 

Al

 

 

 

 

ла в кольце, состоящем из алюминиевого и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

медного

полуколец,

как

показано

на

р и-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сунке 6,

если:

1)

Т1 =

Т2;

2) Т1

> Т2

или

А

 

 

Т1

Т2

 

В

Т1 < Т2?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.6

 

 

 

 

4.В каком случае возникнет контактная

 

 

 

A

 

 

 

 

B

 

а)

 

 

 

 

 

 

 

 

разность потенциалов (не равная нулю)

 

 

 

Cu

 

Fe

 

Cu

 

между концевыми проводниками А и В в с о-

 

 

 

A

 

 

 

 

B

единении

трех

проводников,

как

показано

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

Fe

 

Cu

 

Fe

 

на рисунке 7,а-в?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cu

 

Cu

 

Fe

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7

5.Где больше концентрация свободных электронов: в поверхностном

слое металла или внутри его?

6.Определить контактную разность по тенциалов при постоянной температуре в месте соединения меди и алюминия, если работа выхода св о-

бодных электронов у алюминия 3.74эВ, а у меди 4,47эВ. Ответ 0,73 В. 7.Какая температура соответствует средней кинетической энергии

электронов, равной работе выхо да из лития, если поверхностный скачок потенциала у лития равен 2,4 В? Ответ 18550 К.

Библиографический список

Т.И. Трофимова Элементы физики твердого тела./ Трофимова Т.И.//Курс физики: Учеб. М., 1998. - гл. 31., §246, 247. - с.454-

458.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Электричество(21-27) PDF