Лабораторна робота № 2
Градуювання термопари. ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОЇ ТЕРМОЕРС термопари
Мета роботи: вивчити температурну залежність термоЕРС залізо-мідної термопари, визначити питому термоЕРС.
Прилади: залізо-мідна термопара, міліамперметр, нагрівальний елемент, два термометра, дві посудини з водою, магазин опорів.
До термоелектричним відносяться три явища: Зеебека, Томсона і Пельтьє. Явище Зеєбека полягає в появі струму в замкнутому електричному ланцюзі, складеної з різнорідних металів, якщо спаї цих металів підтримувати при різних температурах. Явище Томсона - зворотне до явища Зеєбека: якщо по електричному ланцюзі, складеної з різнорідних металів, пропустити струм, то в місцях спаїв буде виділятися і поглинатися тепло. Явище Пельтьє полягає у виділенні тепла (понад тепла Джоуля-Томсона) в провіднику при проходженні струму, в якому підтримується градієнт температури.
Прилад, що працює на явищі Зеєбека, називається термопарою. Вона являє собою замкнуту електричний ланцюг, складену з двох різнорідних металів (наприклад, мідь і алюміній, мідь і срібло і т.д.).
де n01 і n02 - концентрація електронів (число електронів в одиниці об'єму першого і другого металу), A1 і A2 - роботи виходу електронів з цих металів, T - температура в місці контакту, k - постійна Больцмана, e - абсолютна величина заряду електрона; знак мінус варто тому, що при A1> A2 перший метал заряджений негативно, другий - позитивно, j1 і j2 - потенціали першого і другого металу.
Процес переходу електронів від одного металу до іншого відбувається до тих пір, поки різниця робіт виходу A1 і A2 і відмінності кількості вільних електронів n01 і n02 в одиниці об'єму не уравновесятся протидією виникла контактної різниці потенціалів.
У замкнутому електричному ланцюзі, складеної з різних металів (термопарі) є два контакти (два спаяний) з контактними різницями потенціалів Dj1 і Dj2 (рис. 2). При однаковій температурі спаїв Dj1 і Dj2 рівні за величиною, але протилежні за знаком, отже, сумарний стрибок потенціалу дорівнює нулю:
Якщо спаї металів I і II (рис.3) підтримувати при різних температурах T1 і T2 (нехай T1> T2), то величина Dj1 буде більше Dj2. Різниця стрибків внутрішніх потенціалів металів називають термоелектродвіжущей силою (термоЕРС)
Неважко зрозуміти, що величина термоЕРС залежить від різниці температур T1 і T2 спаев (e
Величина a називається питомою термоЕРС. Вона дорівнює термоЕРС, що виникає при різниці температур спаїв термопари, що дорівнює одному градусу. Питома термоЕРС є величиною постійною для кожної пари металів, що складають термопару, вона не залежить від температури. У цих умовах температурна залежність e (DT) є лінійною функцією. Якщо питома термоЕРС залежить від температури, то залежність e (DT) носить більш складний характер, при цьому може спостерігатися температурний гістерезис.
ТермоЕРС e має той же фізичний зміст, що і ЕДСісточніка струму, тому в термопарі при DT¹0 потече термоток, величина якого визначається законом Ома
де r - загальний опір кола (термопари і міліамперметра, включеного в ланцюг термопари (рис. 4)).
Величини термоЕРС і термотока невеликі, тому вони вимірюються відповідно в мілівольтах (мВ) і міліампер (мА).
Термопара служить для визначення температури середовища при її нагріві. Для цього термопара повинна бути попередньо проградуірована. Під градуировкой термопари розуміється побудова експериментальної залежності термоЕРС від різниці температур її спаев (тобто залежність e (DT)). Градуювання термопари задається в вигляді графіка e (DT) або у вигляді таблиці e (DT). Для цього один спай термопари поміщають в посудину з постійною температурою (зазвичай це термос, в якому знаходиться вода з льодом - t = 0 ° С), а інший спай в піч, в якій відбувається нагрів. Величину a можна найті як тангенс кута нахилу залежності e (DT) до осі абсцис DT.