Порядок выполнения работы

Задание 1. Градуировка терморезистора:

а) поместите терморезистор в сосуд с водой комнатной температуры и измерьте его со­противление;

б) поставьте сосуд на электроплитку и, нагревая воду до 60°С, проведите измере­ния сопротивления терморезистора через каждые 5°С;

в) постройте график зависимости сопротивления терморезистора от температуры R_t = f(t);

г) результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

t, оС	Rt, Ом

Задание 2. Измерение температуры кожи пальцев:

а) снимите с терморезистора защитный футляр и зажмите терморезистор между пальцами, удерживая его таким образом не менее 3 минут. Не разжимая пальцев, из­мерьте сопротивление;

б) повторите три раза измерение сопротивления R и найдите R_ср.;

в) по графику R_t = f(t) найдите температуру кожи пальцев;

г) результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

R1, Ом	R2, Ом	R3, Ом	Rср., Ом	t, оС

Контрольные вопросы

1. Как зависит от температуры сопротивление металлов и полупроводников и почему?

2. Что представляет собой терморезистор?

3. Опишите устройство и принцип действия измерительного моста постоянного тока.

4. Выведите формулу (*) для определения сопротивления с помощью измерительного мос­та.

5. Как в данной работе производится градуировка терморезистора?

6. Укажите применение электрических методов измерения температуры в биологии, медицине, химии.

Литература

1. Ливенцева Н.М. Курс физики. – М., 1974. – § 71, 72.

2. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1981. – §27, 34, 35.

Лабораторная работа № 11

Измерение температуры термопарой

Цель работы: ознакомление с принципом работы, градуировкой и использованием термопары.

Приборы и принадлежности: термопара, термометр, гальванометр, магазин сопротивлений, сосуд для льда, нагреватель, соединительные провода.

Измерение температуры обычно производится косвенным путем, т.е. основывается на зависимости от температуры таких физических параметров, которые могут быть измерены непосредственно. Так как многие физические величины в какой-то мере зависят от температуры, то любая из них могла бы служить термометрическим параметром. Однако к такому параметру предъявляется ряд существенных требований, а именно: выбранная величина должна изменяться с температурой непрерывно, не иметь одинаковых значений при разных температурах, не зависеть от других факторов, измеряться простым способом, ее зависимость от температуры должна быть простой, желательно линейной. Ни одна физическая величина полностью этим требованиям не удовлетворяет. Можно лишь назвать величины, которые отвечают им в большей или меньшей степени. В соответствии с выбранными параметрами выделяют различные методы измерения температуры.

В настоящее время при измерениях температуры в качестве термометрических параметров очень широко используются термоэлектродвижущая сила различных пар проводников и полупроводников и сопротивление электрическому току проводников и полупроводников. В связи с этим кроме термометров, основанных на зависимости изменения объема жидкости от температуры (например, ртутные термометры), применяются термопары, термометры сопротивления. Преимущества при использовании термопар, термометров сопротивления и термисторов заключается в повышении точности и быстроты измерений температуры. Термоэлектрические термометры используют для измерения очень низких температур (близких к абсолютному нулю), средних и высоких (до 1600 ^оС).

Для изготовления термоэлектрических термометров используют термоэлементы (термопары), обладающие большой электродвижущей силой, малым внутренним сопротивлением, линейной зависимостью между электродвижущей силой и температурой, химической устойчивостью при высоких температурах и др. Наиболее надежные результаты дает термопара, изготовленная из чистой платины и сплава платины с радием (90% Pt + 10%Rd). Такую термопару принято называть нормальной термопарой. При ее помощи можно измерять температуру от –200 ^оС до +1600 ^оС. Применяются и другие термопары: золото – платина (для области низких температур), железо – константан (для области средних температур), никель – нихром (до 900 ^оС), висмут – платина и др. В термопаре при соприкосновении двух разных металлов на поверхности контакта возникает разность потенциалов. Можно расположить металлы в следующий ряд (ряд Вольты), в котором при соприкосновении каждый предыдущий металл заряжается положительно, а последующий отрицательно:

(+) Al, Zn, Sn, Cd, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd (-)

Вольта показал, что: 1) сумма контактных разностей потенциалов во всякой замкнутой цепи равна нулю, 2) разность потенциалов на концах какой угодно металлической цепи зависит только от крайних звеньев цепи и не зависит от промежуточных звеньев. Эти выводы, однако, справедливы лишь при условии постоянства температуры во всей цепи.

Если в замкнутой цепи (рис. 1) контакты (спаи I и II) имеют разные температуры, то в ней возникает электродвижущая сила, которая носит название термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.). Для небольших интервалов температур термо-э.д.с. пропорциональна разности температур спаев, т.е.

 = (t₂ – t₁). (1)

В еличина  называется постоянной термопары, является характерной величиной для каждой термопары и численно равна термо-э.д.с. термопары при разности температур спаев в 1 ^оС. Так, например, термо-э.д.с. термопары «константан – железо» при разности температур спаев в 1 ^оС равна 5310^-6 В (в интервале температур 0 ^оС – 100 ^оС).

Термопарой можно измерить только разности температур. Если температура одного из спаев постоянна, то термо-э.д.с. будет зависеть только от температуры другого спая. Обычно один спай поддерживается при температуре 0 ^оС, комнатной или другой, но строго постоянной и точно известной температуре, т.е. этот спай термостатируется. Он называется холодным спаем. Другой спай называется горячим или измерительным.

При последовательном соединении нескольких термопар (термобатарея) можно получить увеличение термоэлектродвижущей силы, в результате чего повышается чувствительность и становится возможной регистрация малых разностей температур.

Особенно выгодно пользоваться термопарами при измерении температур малых объектов вследствие их небольших размеров и теплоемкостей. Биологи и медики часто применяют термопары для измерения температур животных и растительных тканей, вводя в них термопару в виде иглы, а также при измерении температуры поверхности кожи.

Чтобы пользоваться термопарой для измерения температур, необходимо ее проградуировать, т.е. установить опытным путем зависимость между термо-э.д.с., появляющейся в цепи термопары (или электрического тока, протекающего через термопару),и разностью температур нагретого спая и спая постоянной температуры.

Данные градуировки заносятся в таблицу, по которой строится график. По графику можно найти значения температур при последующем использовании термопары.