Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ.

Цель работы: изучить явление возникновения термоЭДС и произвести градуировку термопары, определить с помощью термопары температуру воз- духа.

Приборы и принадлежности: термопара, гальванометр, два термометра, электроплитка, два ка­лориметра.

Теоретическое введение.

Существует несколько методов измерения температуры: с помощью термометров, металлических термопар, полупроводниковых термометров сопротивления и т.д. Измерение температуры тер­мопарой обладает рядом преимуществ перед измерением с помощью жидкостных термометров. В част­ности с помощью термопары можно измерить очень высокие температуры (до 1700 °С, а предел измере­ния ртутного термометра 360° С),

Кроме того, спай термопары можно сделать очень маленьким, что дает возможность измерять локальную температуру внутри организмов растений и животных, не нарушая при этом функции их органов. Измерения температуры с помощью термопары можно осуществить дистанционно, и наконец, процесс измерения температуры с ее помощью можно сделать непрерывным, используя самопишущие приборы.

При тесном соприкосновении двух разнородных металлов между ними возникает разность по­тенциалов, зависящая от химического состава и температуры. Эту разность п отенциалов называют контактной. Рассмотрим причину возникновения контактной разности потенциалов (КРП).

В металлах есть свободные электроны, на которые действуют кулоновские силы притяжения со стороны положительных ионов кристаллической решетки. Пока электроны находятся внутри решетки металла, эта сила в среднем взаимно уравновешивается, и электроны свободно могут двигаться между узлами кристаллической решетки. Если же электрон «выйдет» за пределы кристаллической решетки, то металл зарядится положительно и сила притяжения будет возвращать электрон в металл. Таким образом, для того, чтобы выйти из металла, электрон должен совершить работу против сил притяжения к металлу. Эта работа называется «работой» в ыхода электрона,. Ее принято измерять в злектронвольтах (1эВ = 1,6·10 ^-19 Дж).

Для различных металлов, силы притяжения, действующие на электронной поверхности, а следо­вательно, и работы выхода, различны.

Пусть два металла с работами выхода A₁ и А₂ находятся в тесном контакте (на расстоянии по­рядка межатомного). При А₂ > A₁ число электронов, выходящих из первого металла (с работой выхода А₁ в области контакта, будет превышать число электронов, выходящих в эту область из второго ме­талла (с работой выхода А₂).

Так как сила притяжения, действующая на электрон со стороны второго металла больше силы, втягивающей электроны в первый металл, то электроны первого металла будут проходить во второй. Поэтому второй металл заряжается отрицательно, а первый положительно, т.е. на границе раздела воз­никает электрическое поле, препятствующее перекачке электронов во второй металл. Такая перекачка электронов прекратится полностью, когда сила притяжения со стороны второго металла станет равной противоположно направленной силе, действующей на электрон со стороны возникающего электрическо­го поля. В этом случае работа по перемещению электрона против электрического поля станет равной разности работ выхода электронов из металла. Установившаяся при этом разность потенциалов между двумя металлами φ₁^' и φ₂^' называется контактной разностью потенциалов.

Так как работа по перемещению электрона из точки с потенциалом φ₁^' в точку с потенциалом φ₂^' равна

е(φ₁^' - φ₂^'), то приравнивая ее к разности работ выхода, можно получить величину КРП.

е(φ₁^' - φ₂^') = А₂ –А₁

Отсюда (φ₁^' - φ₂^') = А₂ –А₁ /е (1)

где е - абсолютная величина заряда электрона.

Работы выхода из различных металлов неодинаковым образом изменяются с температурой, поэтому и величина КРП (φ₁^' - φ₂^') зависит от температуры.

КРП может возникать не только из-за отличия работ выхода контактирующих металлов. Это яв­ление будет наблюдаться также, если в контакт привести два металла с одинаковыми работами выхода А₁ = А₂, но отличающимися концентрацией свободных электронов. При этих условиях КРП обусловлена преимущественной диффузией свободных электронов из металла с большей концентрацией n_o1 в металл с меньшей концентрацией n_o2. Металл с первоначальной концентрацией n_o1 зарядится положительно, n_o2 - отрицательно. Возникающая разность потенциалов (φ₁^'' - φ₂^'') прекратит дальнейший преимущест­венный перенос электронов.

(2)

k - постоянная Больцмана.

При температуре Т=300 К величина (φ₁^'' - φ₂^'') имеет порядок 10^-1 В. Если приведенные в сопри­косновение металлы различаются работой выхода и концентрацией свободных электронов, то КРП рав­на

(3)

Суммарная контактная разность потенциалов φ₁ – φ₂ может достигать порядка одного вольта (1 В) и более.

КРП в замкнутой цепи, состоящей из двух металлических проводников, контакты которых имеют
одинаковую температуру не может привести к появлению электрического тока, т.к. возникающие в местах А и В электрические поля равны по величине и противоположны по направлению. Изменение температуры одного из контактов сопровождается изменением КРП в нем и, как следствие, возникает разность потенциалов между спаями А и В. Называемая термоэлектродв и жущей сил ой(термоЭДС):

ε = (φ₁ – φ₂)_а – (φ₁ – φ₂)_в (4)

которая обуславливает появление в цепи электрического тока. Из сказанного раннее и формул (3),(4) видно, что величина термоЭДС зависит от разности температур спаев. Эту зависимость можно предста­вить в виде:

ε =α(Т_а-Т_в) (5)

где α - удельная термоЭДС, (величина, которой определяется природа контактирующих металлов и численно равная ЭДС термопары при ∆T = 1 К).

Зависимость (5) в общем случае не является линейной.

Замкнутая цепь из двух разнородных проводников, в которой возникает электрический ток за счет разности температур контактов между проводниками, называется термоэлектроном или те рмоэле­мент - термопара.

Удельная термоЭДС, пары из различных металлов представляет несколько милливольт на градус
(мВ на 1^о).Поэтому в энергетических целях использовать металлические термопары нецелесообразно.
Однако такие термопары можно использовать для измерения температуры, что видно из формулы (5),
На практике для определения температуры необходимо измерить величину термоЭДС, и по ней, с помощью градуировочного графика, найти температуру. Градуировочный график представляет собой зависимость между разностью температур спаев и величиной термоЭДС (рисунок. 2).
По известной температуре одного из снаев и измеренной термоЭДС легко можно определить температуру второго спая (и тела, с которым этот спай соприкасается).

Описание установки для градуировки термопары.

Для градуировки термопары используется установка. изображенная на рисунке 3. Один спай термопары помещается в калориметр - сосуд со льдом.Другой спай опускается в сосуд с водой,

температуру которой изменяют с помощью нагревателя.Температуры спаев t₁°C и t₂°С определяют ртутными термометрами, помещенными в сосуды с водой.

При нагревании воды во втором калориметре температуры спаев t₁^o C и t₂°C будут различаться. Следовательно в цепи термопары возникает термоЭДС. В данной работе о величине термоЭДС судят по показаниям гальванометра, включенного в цепь термопары.

Лед Нагреватель Рисунок 2.

Рисунок 3.

Порядок выполнения работы

Градуировка термопары

1.По термометрам определить начальную температуру (горячего и холодного спаев) и показание гальванометра. Записать в таблицу.

2.Поместить пробирку с одним спаем в сосуд со льдом, подождать охлаждения спаи до О°С.

3.Поставить пробирку с другим спаем в электропечь и включить нагреватель. При нагревании через каждые 10°С записывать показания термометра и гальванометра (милливольтметра). Довести тем­пературу горячего спая до 100 °С, выключить нагреватель и убрать его.

4.При остывании спая записывать показания милливольтметра для тех же значений температуры горячего спая.

5.Найти средние значения показаний вольтметра, для всех опытов

ε_ср =(ε_нагр + ε_охл)/2

По полученным данным построить график зависимости значений вольтметра от разности темпе­ратур ε = f(t₂-t₁), откладывая по оси абцисс значения ∆t и по оси ординат значения ε_ср.

Определение температуры воздуха и тела.

1.Один спай зажать между пальцев, второй оставить в калориметре с таящим льдом. Провести измерения ЭДС три раза, найти среднее значение.

2.По графику ε = f(t₂-t₁) определить температуру кожи пальцев.

3.Аналогично измерить температуру воздуха. Сравнить полученную температуру с показанием
комнатной температуры.

Таблица измерений

Контрольные вопросы.

1.Дать определение работы выхода электрона из металла.

2.Каковы причины возникновения контактной разности потенциалов?

3.Объяснить возникновение термоЭДС в замкнутой цепи, состоящей из разнородных металлов.

4.Что такое удельная термоЭДС и от чего она зависит?

5.Привести примеры использования термопары в технике и в сельском хозяйстве.