Лабораторная работа №23

Брянский Государственный Технический
Университет.
Кафедра “Физика”
Лабораторная работа
по физике.
Студент группы 03 АТП-2
Шурубкин А.Н.
Преподаватель
Шишкина О.А.
2004 г.
Лабораторная работа №23
“Градуировка термопары”.
Цель работы: изучение зависимости электродвижущей силы, термопары от
разности температур между спаями термопары.
Теоретическое введение
Между двумя разнородными соприкасающимися металлами возникает
разность потенциалов, называемая контактной. Она подразделяется на внешнюю и
внутреннюю. Внешняя обусловлена разным значением работы выхода (А)
электронов из различных металлов, внутренняя - разной плотностью свободных
электронов в них (n).
Рассмотрим действие каждой причины отдельно.
Плотность электронов в обоих металлах одинаковая (n1-n2) но работа выхода разная. Пусть А1<А2. Из первого металла во второй перейдет часть
электронов. Тонкий поверхностный слой второго металла зарядится отрицательно,
первого - положительно. В пространстве, окружающем металлы, возникает
электрическое поле.
Рис. 1
На рис. 1 пунктиром показаны силовые линии, а сплошными линиями эквипотенциальные поверхности этого поля.
Как видно из рисунка 1 между любыми двумя точками, лежащими на
поверхностях разнородных металлов, в том числе между свободными концами .
металлов, устанавливается разность потенциалов Uвнеш.
U âíåø 
A1  A2
E
(1)
2. Плотность электронов в соприкасающихся металлах различна (например
nl>n2), но А1=А2.
Диффузионный поток электронов из первого металла во второй превысит
поток электронов противоположного направления. Так, вблизи контакта между
точками, лежащими по обе стороны от него внутри металлов, устанавливается
разность потенциалов, называемая внутренней контактной Uвнутр. Теоретическое
рассмотрение внутренней контактной разности потенциалов позволяет получить
для нее следующее выражение:
U âíóòð 
êÒ n1
ln
å
n2
(2)
Где е- заряд электрона, Т- температура контакта. Учитывая (1) и (2), получим
окончательную формулу для полной контактной разности потенциалов:
U
A1  A2 êÒ n1

ln
e
å
n2
(3)
В замкнутой цепи состоящей из двух или нескольких разнородных металлов,
если температуры контактов различны, возникает термоэлектродвижущая сила
(термоэдс).
Такая цепь, состоящая из двух разнородных металлов, называется
термопарой. Учитывая формулу (3), притемпературах контактов Т, и Т2 получим
следующую формулу для определения термоэдс Ем.
ê  n
Åì    ln 1 (T1  T2 )  c(T1  T2 )
 å  n2
(4)
Коэффициент «с» в формуле (4) имеет неизменное значение для данной пары
металлов в определенном интервале температур и называется постоянной
температуры. Чтобы уяснить себе причину возникновения термоэдс, рассмотрим
однородный металлический стержень АВ, на концах которого поддерживается
постоянная разность температур. Если температура конца А выше чем
температура конца В, (Та>Тв), то средняя кинетическая энергия электронов у
горячего конца выше, чем у холодного. Быстрые электроны диффундируют к
концу В, а медленные - к концу А. Однако поток быстрых электронов превышает
поток медленных. Вследствие этого холодный конец зарядится отрицательно, а
горячий - положительно. Подвижное равновесие наступит при равенстве
диффузионного потока, вызванного градиентом температуры, потоку созданному
возникшим электрическим полем. Из сказанного следует, что разность
потенциалов на концах металлического стержня зависит от природы металла и
разности температур его концов. В термопаре скачки потенциала на горячем и
холодном
контактах
различны,
что
ведет
к
возникновению
термоэлектродвижущей силы. При помощи термопары можно измерять
температуру. Для этого термопара должна быть проградуирована, то есть найдена
экспериментально зависимость эдс от разности температур спаев. Градуировка
термопары является целью данной лабораторной работы. ЭДС термопары
измеряется при помощи потенциометра работающего по методу компенсации (2).
Принципиальная схема потенциометра дана на рис. 2.
Рис. 2
Здесь П- переключатель позволяющий включить в цепь нормальный элемент
или термопару , либо выключить потенциометр; Г- гальванометр; Б - источник
постоянного тока; N- нормальный элемент; Т- термопара.
Поставим рукоятку переключателя в положение 1 и замкнем ключ К.
Так,будет включен в цепь нормальный элемент и подан ток от источника Б.
Подберем такое сопротивление реостата R, при котором отсутствует ток через
гальванометр (разность потенциалов, созданная на участке АВ источником тока Б
компенсируется разностью потенциалов, созданной на том же участке
нормальным элементом). В этом случае
En  IRaâ
Где I- ток на участке реохорда АВ, Raв - сопротивление этого участка, EnЭДС нормального элемента. Затем включают в цепь термопару, поставив
переключатель. П в положение 2 , и подбирают положение подвижного контакта,
при котором ток через гальванометр станет нулевым. Теперь ЭДС термопары с
тем же током в реохорде связана соотношением:
(6)
EÒ  IRaâ1
Из уравнений (5) и (6) получим
ET  En
Raâ'
Raâ
(7)
Величины En и Raв’ за время измерений не меняются. Поэтому по величине
сопротивления Raв можно судить, об ЭДС термопары.
Порядок выполнения работы:
1. Один спай термопары помещен в сосуд, температура воды в котором не
меняется, другой в подогреваемый сосуд. Измеряют термометрами
температуры обоих контактов.
2. При выключенном потенциометре корректором ставят на ноль стрелку
гальванометра
3. К клеммам "XI" и "Х2" подключены термопары.
4. Подают питание от источника. Для этого нажимают белую кнопку на
щите и ставят выключатель «В» на столе в положение «включено».
5. Переключатель «1» ставят в положение «Iа», переключатель «2» ставят
в положение «100 кОм» и. нажатием на кнопку «3», смотрят на
отклонение стрелки гальванометра. Стрелка, должна стоять на нуле.
Затем переключателем «2» уменьшают сопротивление до «1 кОм» и
затем до «О». При этом при нажатии на кнопку «3», стрелка
гальванометра должна оставаться на нуле.
6. Если, при нажатии на кнопку «3», стрелка гальванометра отклоняется,
то ручками «4» установить стрелку гальванометра на ноль.
7. Затем переключатель «1» ставят в положение «Iб», переключатель «2»
в положение «100кОм» и повторяют действия указанные в пункте 4 ) и
5 ).
8. После того как потенциометр подготовили к работе, переключатель «1»
ставят в положение Х1. затем Х2, переключатель «2» при этом стоит на
«О». Включают электроплитку и при разности температур 10°С
измерить ЭДС термопары. Для этого нажимают кнопку «3» и
подбирают положение рукояток «5» при котором ток через
гальванометр станет равным нулю. ЭДС равна сумме показаний
переключателя «5».
9. Через каждые 10° до 90° измеряют термоэдс. Строят график
зависимости ЭДС от разности температур контактов, из которого
находят среднее значение постоянной «С»по формуле (4) в данном
температурном интервале.
10. По окончании работы: выключить электроплитку, поставить
переключатель «В» в положение «выключено», снять напряжение со
щита нажатием красной кнопки.
Рис. 3
∆t, ˚C
0
10
20
30
40
50
E 0,8

 0,08
t
10
Cñð  0,07
C
t1, ˚C
38
48
58
68
78
88
E1, mВ
0
1.6
2.1
2.82
3.5
4.2
∆E, mВ
0
0,8
1.05
1.32
1.75
2.15
С
0
0,08
0.105
0.132
0.175
0.215
2,5
dE, mB
2
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
dt
Вывод: изучили зависимость электродвижущей силы, термопары от разности
температур между спаями термопары.