Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 11.
Градуирование термоэлемента и
определение термоэлектродвижущей силы

Цель работы: построить градуировочную кривую термопары и опытным путем определить удельную термо Э.Д.С.

Литература:§§ 246, 247.

Приборы и материалы:термопара, смонтированная на специальном держателе; чувствительный гальванометр, термометр, электроплитка, два калориметра, магазин сопротивлений.

Рассмотрим контакт двух металлов с разной концентрацией свободных электронов: n₁ > n₂. При диффузии электронов произойдет заряд металлов и возникнет внутренняя контактная разность потенциалов U_i. Изменение энергии свободных электронов (Е_э) в приконтактной области при установившемся значении контактной разности потенциалов соответствует динамическому равновесию.

При динамическом равновесии потоки электронов в обоих направлениях одинаковы. Так как концентрация свободных электронов в металлах очень большая, переход отдельных электронов из одного металла в другой практически не изменит их концентрации, которые и в условиях динамического равновесия останутся прежними (n₁ > n₂). Величина контактной разности потенциалов зависит от температуры и определяется выражением:
где k - постоянная Больцмана; е - заряд электрона.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлов с концентрациями электронов n₁ > n₂ и температурами спаев Т_А > Т_В, на каждом из спаев возникает контактная разность потенциалов:

если обозначить буквой β удельную термоЭДС, то

(1.1)

Термоэлектричество находит три основные применения:

1. для создания генераторов тока с прямым преобразованием молекулярно-тепловой энергии в электрическую, КПД таких источников 10%;
2. для определения температуры, достоинством таких термометров являются дистанционность и микроконтакт;
3. для измерения мощности инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучений.

Термоэлектрические явления отражают связь между электрической и молекулярно-тепловой формами движения материи в металлах и полупроводниках.

Для измерения температуры необходимо один спай термопары поддерживать при постоянной температуре (например, 0°С), а второй поместить в тот объем, температуру которого хотят измерить. ЭДС, возникающая в термопаре, будет прямо пропорциональна температуре второго спая. О величине температуры можно судить по силе возникающего термотока, измеряемой гальванометром: Предварительно необходимо термопару проградуировать, т.е. установить соответствие между разностью температур спаев (t_n - t₀) и показаниями гальванометра a_n. В случае пропорциональности между показаниями прибора и разностью температур имеем a_n=y·(t_n-t₀). Зная y, можно легко измерить любые температуры с помощью гальванометра, т.к. y показывает величину отклонения стрелки гальванометра при нагревании на 1К:

(1.2)

Схема установки изображена на рисунке, где 1 - клеммы, к которым присоединяется гальванометр, 2 - перекладина, на которой укреплена термопара, 3 - зажим перекладины (может быть установлен на любой высоте стойки 4). Для измерения температур спаев служат термометры 5, спаи термопары и термометры помещены в пробирки 6. Пробирки, в свою очередь, опускаются в калориметры 7, наполненные водой комнатной температуры. В процессе работы температура одного спая остается постоянной, а другого изменяется с помощью подогрева воды на электроплитке 8.

Задание 1. Градуировка термопары.

Приступая к градуировке термопары, заполните оба калориметра водой комнатной температуры и отметьте по термометрам начальную температуру t₀ обоих спаев, а также положение стрелки гальванометра α₀. Включите электроплитку и при нагревании воды через каждые 5⁰ записывайте значения температуры и показания гальванометра a_t. и запишите в табл. 1. Воду доведите до кипения. По полученным данным определите y по формуле (1.2) для каждого значения a_t и затем найдите y_ср. Результаты измерений и расчетов занесите в табл. 2. По данным измерений постройте график (градуировочную кривую), откладывая по оси абцисс значения (t - t₀), по осиординат a_t.

Таблица 1

Задание 2. Определение удельной термо-ЭДС.

Величина удельной термо-ЭДС определяется следующим образом: обозначим через R₀ неизвестное сопротивление цепи, состоящей из термопары, гальванометра и соединительных проводов, через i - цену деления гальванометра и через a₁ - показание гальванометра, соответствующее какой-нибудь определенной разности температур. Тогда термо-ЭДС (ε) , возникающая в термопаре будет равна:

(1.3)

Если при этой же температуре ввести в цепь термопары последовательно с гальванометром известное добавочное сопротивление, то показание гальванометра изменится, станет α₂. Тогда термо-ЭДС:

(1.4)

Исключая из равенств (1.3) и (1.4) неизвестное сопротивление R₀, получим:

(1.5)

Из формулы (1.1) , следовательно,

(1.6)

Нагрейте воду в сосуде до кипения, заметьте показания гальванометра α₁. Затем последовательно с гальванометром включите сопротивление R и отсчитайте новое положение стрелки гальванометра α₂. Опыт проведите пять раз при различных сопротивлениях. По формуле (1.6) найдите значение С при пяти разных значениях α₂. Результаты опыта занесите в табл.2. Определите, из чего изготовлена термопара.

Таблица 2

Таблица 3

Контрольные вопросы

1. Какими причинами обусловлена контактная разность потенциалов?
2. В чем заключается явление термоэлектричества, от чего зависит термо-ЭДС?
3. Что такое термопара?
4. Что значит проградуировать термопару?