Работа 374. Эффект Зеебека. Определение термо

Эффект Зеебека. Определение термо-ЭДС как функции разности
температур
Цель работы: Изучить явление Зеебека и принципы работы с термопарой.
Решаемые задачи:
- изучить электрические методы измерения температур;
- познакомиться с устройством термопары и принципами её включения в
цепь;
- приобрести навыки работы с термопарой;
- познакомиться с принципами работы микровольтметра с цифровым
универсальным датчиком Mobil-CASSY;
- проградуировать термопару;
- определить удельную термоэдс.
Явление Зеебека состоит в возникновении электродвижущей силы (термоэдс) в
электрическом контуре, состоящем из двух разнородных проводников А и В, контакты
между которыми поддерживаются при разных температурах. Это явление лежит в основе
конструкции термопары – весьма распространенного компактного, сравнительно точного,
электрического метода измерения температур в диапазоне от 20 К до 1500 К. В основе
этого явления лежат следующие факторы.
Когда соприкасаются два разнородных металлических провода с различными
энергиями Ферми EF, то электроны движутся от одного металла к другому. Металл с
меньшей работой выхода электронов WA испускает электроны и приобретает
положительный заряд. Передача не остановится, пока не будет достигнута контактная
W  Wm,2
разность потенциалов
,
U  m,1
e
где е – элементарный заряд.
На формирование контактной разности потенциалов влияют также различные
концентрации свободных электронов в соприкасающихся металлах.
Если провода собраны вместе таким образом, что они представляют собой
замкнутую цепь с измерительным элементом, и при этом две точки контактов имеют
перепад температур Т = Т1 - Т2, то генерируется термоэлектродвижущая сила, термоэдс
UT=U(T1) - U(T2).
Здесь удельная или дифференциальная термоэдс
dU T
dT
зависит от комбинации двух металлов. Лабораторные термопары состоят из двух
металлических проволок (А и В) диаметром сечения от 0,1 до 1.0 мм, которые для
получения хорошего контакта спаяны или сварены на концах в пламени дуги. В ряде
случаев для градуировки термопар используют некоторые заранее известные значения
температур (реперные точки). Например, в качестве реперных точек принимают
температуры таяния льда (0 С = 273 К), кипения воды (100 С = 373 К), кипения жидкого
азота (-196 С = 77 К).

Рис. 1. Устройство и принципы включения термопары.
В исследуемом эксперименте, термо-ЭДС UT измеряется как функция разности
температур Т между двумя точками контакта для термопар с комбинациями двух
разнородных металлов А и В: железо/константан, медь/константан и хромо-никелевый
сплав/константан. Одна точка контакта (Т1) нагревается на водяной бане, а другая (Т2)
постоянно поддерживается при комнатной температуре. Это может быть температура
таяния льда или комнатная температура. В нашем экспиременте (Т2) - это контакт второго
конца термопары с микровольтметром при комнатной температуре. Удельная термо-ЭДС
определяется путем подгонки наиболее подходящей прямой линии для измеренных
значений:
U T  T
Рис. 2. График зависимости термоэдс в зависимости от температуры
для различных типов термопар.
Аппаратура
Термопары простые, набор (1-3):
(хромо-никелевый сплав / константан; железо /
константан, медь / константан);
Зажимные подключатели (4);
Микровольтметр (5) с универсальным переносным цифровым сенсорным датчиком MobilCASSY (6);
Электрическая плитка или другой нагреватель (7);
Термометр, -10 ... +110 °C/0.2 K (8);
Лабораторный стакан, 400 мл, приземистый (низкий и широкий) (9).
Фото. Внешний вид установки с номерами.
Порядок выполнения работы:
1. Подключить свободные концы термопары к 2-м зажимам микровольтметра, которые
находятся в торце универсального сенсорного датчика Mobil-CASSY.
2. Один из спаев термопары (Т1) опустить в лабораторный стакан с нагревателем.
3. Включить цифровой датчик микровольтметра нажимая на “Menu”. Нажимая верхние
кнопки Вы включаете показания термопары. Зафиксировать начальное показание
микровольтметра при комнатной температуре Т2.
4. Включить плитку или нагреватель. Помешивая воду, следить за температурой Т1
посредством термометра.
5. Через каждые 5-8 град. снимать показания стеклянного термометра и
микровольтметра. Показания заносить в таблицу. Наиболее точные показания
получатся, если измерения производить в процессе нагревания, а затем в процессе
остывания. Брать средние значения показаний приборов.
6. Построить график зависимости U(T1) в температурном интервале от 20 С до 90 С или
293 – 363 К.
7. По тангенсу угла наклона прямой U(T1) определить среднее значение удельной
термоэдс
. Сравнить значения
, вычисленные для различных интервалов
температур (Т1 – Т2), между собой. Определить материал термопары. Сопоставить
экспериментальные и теоретические значения удельных термоэдс .
Основные результаты
1. Данные измерений представить в виде градуировочного графика для различных
термопар.
2. Привести экспериментальные значения удельных термоэдс для всех измеренных
комплектов термопар.
Сделать выводы с анализом полученных результатов