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

Теоретическое введение

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ

Цель работы: 1. Градуировка шкалы гальванометра в градусах

2. Определение цены деления гальванометра

3. Измерение температуры воздуха в комнате

Принадлежности: гальванометр, два термометра, электроплитка, два калориметра, термопара константан-железо, соединительные провода, регулятор переменного напряжения.

Литература

1. Калашников С.Г. Электричество, учебное пособие для студентов университетов.- Москва, изд.Наука, издание пятое, 1985 г., § 198 – 202.

2. Трофимова Т. И. Курс физики: учебное пособие для вузов. Издание 12–е. – Москва: Академия, 2006.

3. Савельев И. В. Курс общей физики: учебное пособие для втузов в 3–х томах. –

Москва: Наука, том 2, 1979 – 1989 г.г.

4. Грабовский Р.И. Курс физики, 6-е издание.— Санкт-Петербург: Издательство «Лань», 2002, часть 2,., § 17.

Теоретическое введение

Температура – одна из макроскопических характеристик (параметров состояния) макроскопического тела. Она количественно характеризует интенсивность теплового движения атомов или молекул вещества и прямо пропорциональна средней кинетической энергии молекул. Понятие температуры не имеет смысла для одной или небольшого числа молекул.

Температуру нельзя определить непосредственным, прямым измерением. Для её измерения используют зависимость физических свойств вещества от температуры. Она может измеряться контактным и бесконтактным способом. Для измерения температуры контактным методом применяют:

- термометры расширения, измеряющие температуру по тепловому расширению жидкостей или твёрдых тел (например, бытовые или технические термометры, медицинские градусники);

- термометры сопротивления, которые используют зависимость электрического сопротивления вещества (металла или полупроводника) от температуры;

- манометрические термометры, использующие зависимость давления газа или насыщенных паров жидкости от температуры;

- термоэлектрические термометры (термопары), основанные на измерении термоэлектродвижущей силы, возникающей в месте контакта двух разнородных проводников (металлических или полупроводников).

Термоэлектрические явления. При соприкосновении (контакте) двух проводников (металлов) свободные электроны вследствие теплового движения переходят из одного проводника в другой. Если соприкасающиеся проводники различны (например, у них разные концентрации свободных электронов) или если их температура в разных точках неодинакова, то оба потока диффузии электронов неодинаковы и один из проводников заряжается положительно, а другой отрицательно. Поэтому в пограничном слое между проводниками появляется электрическое поле, уравновешивающее разность диффузионных потоков. Существование таких электрических полей обуславливает ряд электрических явлений, называемых термоэлектрическими. К термоэлектрическим явлениям (или эффектам) относятся явление Зеебека, явление Пельтье и явление Томсона.

Для рассмотрения этих эффектов является важным понятие внутренней контактной разности потенциалов. Внутренняя контактная разность потенциалов - это разность потенциалов U_i, возникающая в области границы раздела двух соприкасающихся (контактирующих) проводников. Она не зависит от тока и существует даже в его отсутствии.

Возникновение внутренней контактной разности потенциалов U_i объясняется следующим образом. Пусть два различных металла 1 и 2, находящихся при одной температуре Т, приведены в соприкосновение (рис.1). Положим, что концентрация свободных электронов n₁ в металле 1 больше концентрации свободных электронов n₂ в металле 2. Вследствие теплового движения электроны будут переходить из проводника 1 в проводник 2 и обратно. Так как концентрации электронов в обоих металлах разные, то и диффузионные потоки электронов будут неодинаковыми. Поток электронов из металла 1 будет больше диффузионного потока электронов в обратном направлении, из металла 2. Поэтому металл 1 будет заряжаться положительно, а металл 2 – отрицательно. В результате между металлами возникнет разность потенциалов и появится электрическое поле, которое вызовет дополнительное движение электронов (дрейфовое) в обратном направлении – от металла 2 к металлу 1. Общее количество электронов, переходящих от 1 к 2 будет уменьшаться, а движущихся в противоположном направлении будет увеличиваться. При некоторой разности потенциалов U_i между контактирующими металлами установится динамическое равновесие и потенциалы металлов не будут уже изменяться. Эта разность потенциалов и является внутренней контактной разностью потенциалов обоих металлов. Обмен электронами при контакте и установление равновесия

Рис.1 – Контакт двух разных проводников

(верхний рисунок) и распределение потенци-

альной энергии электронов (нижний рисунок)

происходит очень быстро и приводит к образованию в области поверхности контакта проводников двойного электрического слоя, напоминающего заряженный плоский конденсатор. Этот слой называют контактным, его толщина в металлах составляет примерно 10^{-10 м и он проводит электрический ток в обоих направлениях одинаково, то есть не обладает эффектом выпрямления.}

Распределение потенциальной энергии электронов в контактирующих металлах (с учётом отрицательного заряда электронов) показано на рис.1 с помощью энергетической диаграммы. На рисунке по вертикальной оси отложены значения потенциальной энергии электрона внутри металла, равную W = e·φ (е – заряд электрона, φ – значение потенциала), а по горизонтальной оси – перемещение вдоль контактирующих металлов. В отсутствии тока потенциал внутри металла одинаков, поэтому и потенциальная энергия электрона W в разных точках одного и того же металла постоянна. Однако её значение в обоих металлах различно и меньше в металле 1, заряженном положительно, чем в металле 2, заряженном отрицательно. Разность энергий электрона в обоих металлах равна eU_i.

Выражение для внутренней контактной разности потенциалов, полученное на основе классической электронной теории металлов. В этой теории свободные электроны металла рассматриваются как электронный газ, обладающий свойствами одноатомного идеального газа, и равновесие свободных электронов в двух соприкасающихся металлах совершенно подобно равновесию атомарного идеального газа, находящегося в поле тяжести. Разница заключается в том, что потенциальная энергия электронов обусловлена электростатическим взаимодействием, а не гравитационным. Концентрация электронов также подчиняется распределению Больцмана, в котором П = W₂ – W₁ = eU_i. Используя распределение Больцмана можно выразить концентрацию электронов n₂ в металле 2 через концентрацию электронов n₁ в металле 1:

(1)

Из этого выражения получается формула для внутренней контактной разности потенциалов U_i:

(2)

где k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура металлов.

Формула (2) показывает, что внутренняя контактная разность потенциалов:

- зависит от температуры Т

- чем больше различие в концентрациях электронов n₁ и n₂, тем больше U_i

Следует отметить, что формула (2) пригодна лишь для качественных оценок. В квантовой теории металлов выражение для U_i получается иным, более сложным.

Термоэлектрические термометры (термоэлектрические преобразователи) или термопары основаны на применении явления Зеебека и применяются для измерения температуры.

Явление термоэдс или явление Зеебека – это возникновение электродвижущей силы (термоэдс) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, если места контактов проводников поддерживаются при разных температурах (рис. 2). Явление было открыто немецким учёным Томасом Зеебеком в 1821 г.

Если цепь замкнута, то в ней течёт электрический ток, называемый термотоком I_T. Причём изменение знака разности температур вызывает изменение направления термотока.

Цепь, составленная из двух различных проводников (М₁, М₂), называется термопарой или термоэлементом, а сами проводники - её ветвями или термоэлектродами. Контакты проводников А и В, создаваемые обычно путём сварки или пайки, часто называют спаями (рис. 2).

Величина термоэдс зависит от абсолютных значений температур спаев То и Т, разности этих температур и от природы материалов, составляющих термопару. Однако в небольшом интервале температур термоэдс можно

Рис.2 – Изображение термопары, считать пропорциональной разности температур

А, В – контакты металлов 1 и 2. спаев и некоторому коэффициенту α,

называемому коэффициентом термоэдс или удельной термоэдс.

(3)

Здесь Т и Т_о - температуры спаев термопары.

Коэффициент термоэдс для данной пары проводников (ветвей термопары) численно равен величине термоэдс, возникающей в термопаре при разности температур . Он определяется в первую очередь материалами ветвей термопары, но зависит также и от интервала температур, в котором используется термопара. В некоторых случаях с изменением температуры коэффициент термоэдс даже меняет знак. В таблице 1 приведены значения коэффициентов термоэдс для термопар из часто применяемых металлов и сплавов.

Данные, приведенные в таблице1 не следует считать абсолютно достоверными, так как термоэдс любого материала очень чувствительна к ничтожному количеству примесей, термической или даже холодной обработке материала.

Возникновение термоэдс обусловлено тремя причинами:

1. Температурной зависимостью внутренней контактной разности потенциалов. Это следует, например, из выражения (2). Величина термоэдс термопары равна алгебраической сумме контактных разностей потенциалов, возникающих в спаях А и В.

(4)

Таблица 1

Характеристики некоторых металлических термопар

Если оба спая термопары находятся при одинаковой температуре, то контактные разности потенциалов в спаях А и В равны, но направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов , что ведёт к нарушению электрического равновесия в цепи и возникновению контактной термоэдс .

2. Вторая причина обуславливает составляющую термоэдс, называемую диффузионной или объёмной. Она вызвана неоднородным распределением температуры в проводнике. На рис.3 показан однородный металлический проводник в виде стержня, у которого есть горячий конец А и холодный конец В. В этом случае концентрация электронов с более высокой энергией у нагретого конца А будет больше, чем у холодного, а концентрация электронов с более низкой энергией будет, наоборот, у нагретого конца меньше. Поэтому возникнет диффузия более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных – к горячему.

Диффузионный поток быстрых электронов будет больше, чем поток медленных электронов. Поэтому вблизи холодного конца образуется избыток электронов (минус), а вблизи горячего – их недостаток (плюс). В

результате внутри проводника возникнет

электрическое поле Е, направленное от горячего

Рис.3 – Возникновение термоэдс в одно- конца к холодному (рис.3). Оно будет уменьшать

родном неравномерно нагретом проводнике поток быстрых и увеличивать поток медленных

электронов. Когда оба потока выровняются в каждом сечении наступит равновесное состояние, а между концами проводника появится разность потенциалов , которая и представляет диффузионную составляющую термоэдс .

3. Существует третий источник термоэдс – действие на электроны проводимости звуковой (упругой) волны. В неравномерно нагретом проводнике возникает звуковая (упругая) волна, которая распространяется от горячего конца к холодному и передающая энергию электронам. В результате её действия вблизи холодного конца будет накапливаться отрицательный заряд, а у горячего – положительный заряд, создающие дополнительную составляющую термоэдс. Однако вклад её в термоэдс значителен лишь при низких температурах.

В практически важных случаях термоэдс, возникающая в явлении Зеебека, представляет алгебраическую сумму контактной и диффузионной составляющих , которые обычно противоположны по знаку.