Изменение температуры вещества при помощи термопары

Приборы и принадлежности: исследуемая термопара (медь–константан), два термометра, нагреватель, сосуды – с водой и льдом, потенциометр Р-307, батарея гальванических элементов с общей ЭДС около 3-х вольт, элемент Вестона, зеркальный гальванометр.

Теоретическое введение

В месте контакта двух разнородных проводников возникает контактная разность потенциалов, обусловленная двумя причинами:

1. Различием в работах выхода электронов из металла A₁ и A₂.

2. различием в концентрации свободных электронов в контактирующих металлах n₁ и n₂.

Контактная разность потенциалов . Внешняя контактная разность потенциалов , обусловленная различием в работах выхода электронов из металла практически не зависит от температуры, равна нескольким вольтам.

Внутренняя контактная разность потенциалов , обусловленная различием в концентрации свободных электронов в металлах, почти линейно зависит от температуры, примерно на два- три порядка меньше и определяется по формуле:

,

где k = 1,38110^–23 Дж/К – постоянная Больцмана;

е = 1,610^–19 Кл – заряд электрона.

В замкнутой цепи (см. рис. 1), состоящей из разных металлов, при одинаковой температуре контактов сумма контактных разностей потенциалов равна нулю:

Если температура контактов различна, пример, T₁ > T₂ и n₂ < n₁, то сумма контактных разностей потенциалов не равна нулю. Её называют термоэлектродвижущей силой

,

где – удельная термо-ЭДС, которая для большинства пар металлов слабо зависит от температуры и примерно равна 10…10² мкВ/К.

Таким образом, термо-ЭДС пропорциональна разности температур спаев контактирующих металлов.

Описание установки и метода измерений.

В работе используется сплав двух разнородных проводников, называемый термопарой. Зная зависимость (Т) и температуру одного из спаев, можно определить температуру другого спая. Это позволяет использовать термопары для измерения температуры. Таким образом, измерение температуры при помощи термопары сводится к измерению термо-ЭДС.

Для измерения термо-ЭДС в работе используется измерительный потенциометр типа Р-307.

Подготовка прибора к работе

1. К клеммам «Х1» и «Х2» (см. рис. 3), подключается исследуемая термопара; к клеммам «Г» подключается гальванометр; к клеммам «НЭ», соблюдая указанную полярность, подключается нормальный элемент Вестона; так же с соблюдением полярности, к клеммам «В» подсоединяется источник тока с ЭДС 1,95…3 В.

Рис.3.

2. Переключателем «П2» установить значение ЭДС нормального элемента Вестона, вычисленную с поправкой на температуру по формуле

,

где t – температура нормального элемента во время опыта;

_он – паспортное значение ЭДС элемента Вестона при температуре 20.

3. Переключатель «П1» поставить в положение «НЭ». После чего при нажатой кнопке «430 кОм» ручкой «Регулировка тока грубо – 1» установить световой указатель гальванометра на нуль шкалы по возможности точнее. Для проверки точности установки – нажать на кнопку «О».

Если при этом световой указатель гальванометра смещается за пределы шкалы, то нужно уточнить его начальное нулевое положение (см. выше!) ручкой «Регулировка тока грубо – 1». При незначительном отклонении светового указателя гальванометра от нуля при нажатии кнопки «О» его более точная установка на ноль шкалы осуществляется ручкой «Регулировка тока грубо – 2». Рекомендуется при выполнении этих операций пользоваться ручкой «Успокоение», позволяющей «погасить» колебания светового указателя.

Затем, при нажатой кнопке «О», ручкой «Регулировка тока точно – 3» окончательно устанавливают световой указатель гальванометра на ноль.

Проверка точности установки светового указателя гальванометра на нулевую отметку шкалы осуществляется кратковременным нажатием кнопки «О» – световой указатель не должен смещаться при этом от нулевой отметки. В течение всей работы установленные положения названных выше переключателей изменять нельзя.

4. Переключатель «П1» перевести в положение «Х1» и «Х2» в зависимости от того, на какие клеммы подключена термопара.

5. Декадные переключатели А, Б, В, Г, Д, Е, - установить в нулевое положение.

6. Для проверки работоспособности потенциометра следует измерить термо – ЭДС до начала опыта: Декадный переключатель Г перевести в положение 1. Если при нажатой кнопке «О» световой указатель гальванометра уходит за пределы шкалы, то декадный переключатель Г, нужно перевести в положение 2, или 3, или 4 т.д. При нажатой кнопке «О» переключателями Д и Е установить световой указатель гальванометра на ноль шкалы. Значение термо-ЭДС равно сумме показаний переключателей Г, Д, Е.