Лабораторна робота №1.

Дослідження термоелектричного ефекту

Мета роботи: Дослідити ефект Зеєбека та оволодіти методикою побудови градуювальної кривої термопари.

Прилади і матеріали: піч резистивного нагріву; термопара типу ХА; рідинний термометр; штатив лабораторний; мілівольтметр типу Ф136

Короткі теоретичні відомості

В сучасних приладах, які призначені для вимірювання температури та автоматичного керування температурними режимами устаткування, у тому числі і енергетичного обладнання, широко застосовуються термоелектричні перетворювачі. Принцип дії термоелектричного перетворювача (у випадку використання термоелектричного перетворювача для контролю температури його називають термопарою) базується на термоелектричному ефекті, або ефекті Зеєбека.

Ефект Зеєбека полягає в тому, що в колі, яке складається з двох різнорідних провідників, спаї котрих знаходяться при різних температурах Т₁ та Т₂, виникає електрорушійна сила (е.р.с.) Е, пропорційна різниці температур:

,

(1.1)

де  - коефіцієнт термо-е.р.с., або ж коефіцієнт Зеєбека. Він показує, наскільки змінюється електрорушійна сила при зміні температури на 1 К.

Рис. 1.1. Принципова схема термоелектричного перетворювача:

1, 2 – термоелектроди; 3 – вольтметр

На рис. 1.1 наведено принципову схему термоелектричного перетворювача. Термоелектроди 1 та 2, які виконані з різних матеріалів, електрично з’єднані в спаях А та В. Ланцюг, створений електродами, розірвано. Якщо до цього розриву під’єднати вольтметр 3, то можна виміряти термо-е.р.с., що розвивається при даній різниці температур на спаях.

Якщо коефіцієнт термо-е.р.с. можна вважати таким, що не змінюється з температурою, то залежність термо-е.р.с. від різниці температур Т, згідно рівняння (1.1), є лінійною. Умова лінійності цієї залежності, принаймні у деякому інтервалі температур, є важливим моментом для практичного використання термоелектричних перетворювачів у якості засобу контролю за температурою.

У загальному випадку вимірювання температури за допомогою термопар здійснюють, користуючись градуювальною кривою, тобто залежністю термо-е.р.с. Е від різниці температур Т на спаях. Цю залежність найчастіше представляють у графічній формі, або у вигляді таблиці.

Найбільш широке поширення у технічних засобах контролю за температурою знайшли термопари на основі металевих сплавів, такі як хромель-капель (ХК), хромель-алюмель (ХА), мідь-константан (МК), платина-платинородій (ППр). Вибір того чи іншого матеріалу електродів для термоелектричного перетворювача обумовлюється діапазоном температур, який потрібно контролювати, а також значенням коефіцієнта термо-е.р.с. Значення останнього є одним з основних параметрів термоелектричного перетворювача при його використанні у якості складової частини термоелектрогенератору, і може становити для металевих електродів від одного мікровольта на градус до декількох мілівольт на градус Кельвіна .

Для дослідження ефекту Зеєбека у лабораторних умовах використовується установка, схематичне зображення якої наведено на рис.1.2.

Рис. 1.2. Схема лабораторної установки для дослідження термоелектричного ефекту:

1 – нагрівальний елемент печі; 2 – штатив лабораторний; 3 – рідинний термометр; 4 – об’єкт, температуру якого досліджують; 5 – термоелектричний перетворювач (термопара); 6 - мілівольтметр

Порядок виконання роботи

1. Зібрати лабораторну установку, представлену на рис.1.2.

2. Помістити об’єкт, температуру якого вимірюють, на поверхню нагрівального елементу.

3. На поверхні об’єкта розмістити рідинний термометр і термопару.

4. До виводів термопари під’єднати мілівольтметр.

5. Виміряти кімнатну температуру Т_к (температуру холодного кінця термопари).

6. Здійснити нагрівання об’єкта до температури Т = 200 ⁰С.

7. По досягненню вказаної температури вимкнути піч, перевівши регулятор температури в положення «0».

8. Дочекатись початку зниження температури.

9. В процесі зниження температури об’єкта від 200 до 100 ⁰С здійснити запис показань рідинного термометра Т_i та мілівольтметра Е_i з кроком за температурою 10 ⁰С. Результати вимірювань занести до таблиці 1.1.

Таблиця 1.1