Градуирование термопары. Определение удельной термоЭДС термопары: Методические указания к лабораторной работе № 2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 

ГРАДУИРОВАНИЕ ТЕРМОПАРЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕРМОЭДС ТЕРМОПАРЫ

Цель работы: изучить температурную зависимость термоЭДС железо-медной термопары, определить удельную термоЭДС.

Приборы: железо-медная термопара, миллиамперметр, нагревательный элемент, два термометра,  два сосуда с водой, магазин сопротивлений.

Краткая теория

К термоэлектрическим относятся три явления: Зеебека, Томсона и Пельтье. Явление Зеебека заключается в появлении тока в замкнутой электрической цепи, составленной из разнородных металлов, если спаи этих металлов поддерживать при разных температурах. Явление Томсона - обратное к явлению Зеебека: если по электрической цепи, составленной из разнородных металлов, пропустить ток, то в местах спаев будет выделяться и поглощаться тепло. Явление Пельтье заключается в выделении тепла (сверх тепла Джоуля-Томсона) в проводнике при прохождении тока, в котором поддерживается градиент температуры.

Прибор, работающий на явлении Зеебека, называется термопарой. Она представляет собой замкнутую электрическую цепь, составленную из двух разнородных металлов (например, медь и алюминий, медь и серебро и т.д.).

Если соприкасаются два различных металла, свободные электроны переходят из одного металла в другой, имеем явление диффузии. Условия перехода неодинаковы. Электронам легче переходить к тому металлу, у которого: 1) работа выхода больше (следовательно, имеет место преимущественный переход свободных электронов от металла с меньшей работой выхода к металлу с большей работой выхода); 2) больше среднее число свободных электронов в единице объема, т.е. свободные электроны переходят от того металла, в котором их среднее количество в единице объема больше, к тому, в котором среднее количество в единице объема меньше. Таким образом, один из проводников, получающий избыток электронов, заряжается отрицательно, а другой, теряющий часть электронов, заряжается положительно. На границе соприкосновения двух различных металлов возникает контактная разность потенциалов Dj (рис.1). Контактная разность потенциалов Dj = j₁ - j₂ между двумя металлами (первый закон Вольта) равна:

.

где n₀₁ и n₀₂ - концентрация электронов (число электронов в единице объема первого и второго металла), A₁ и A₂ - работы выхода электронов из этих металлов,  T - температура в месте контакта, k - постоянная Больцмана,           e - абсолютная величина заряда электрона; знак минус стоит потому, что при A₁> A₂ первый металл заряжен отрицательно, второй - положительно, j₁ и j₂ - потенциалы первого и второго металла.

Процесс перехода электронов от одного металла к другому происходит до тех пор, пока разность работ выхода A₁ и A₂ и различия количества свободных электронов n₀₁ и n₀₂ в единице объема не уравновесятся противодействием возникшей контактной разности потенциалов.

Контактная разность потенциалов зависит не только от свойств металлов, но и от температуры, увеличиваясь с повышением последней.

                       Рис. 1                                                               Рис. 2

В замкнутой электрической цепи, составленной из различных металлов (термопаре) имеется два контакта (два спая) с контактными разностями потенциалов Dj₁и Dj₂ (рис. 2). При одинаковой температуре спаев Dj₁и Dj₂ равны по величине, но противоположны по знаку, следовательно, суммарный скачок потенциала равен нулю:

                                                       Dj₁ - Dj₂ = 0.

Если спаи металлов I и II (рис.3) поддерживать при различных температурах T₁ и T₂  (пусть T₁> T₂), то величина Dj₁ будет больше Dj₂. Разность скачков внутренних потенциалов металлов называют термоэлектродвижущей силой (термоЭДС)

e = Dj₁ - Dj₂.

Рис. 3

Нетрудно понять, что величина термоЭДС зависит от разности температур T₁ и T₂ спаев (e~ DT)

e = a(T₁-T₂) = aDT  .                                      (1)

Величина a называется удельной термоЭДС. Она равна термоЭДС, возникающей при разности температур спаев термопары, равной одному градусу. Удельная термоЭДС является величиной постоянной для каждой пары металлов, составляющих термопару, она не зависит от температуры. В этих условиях температурная зависимость e(DT) является линейной функцией. Если удельная термоЭДС зависит от температуры, то зависимость e(DT) носит более сложный характер, при этом может наблюдаться температурный гистерезис.

ТермоЭДС e имеет тот же физический смысл, что и  ЭДСисточника тока, поэтому в термопаре при DT¹0 потечет термоток, величина которого определяется законом Ома

                                                         ,                                                   (2)

где r  - общее сопротивление цепи (термопары и миллиамперметра, включенного в цепь термопары (рис. 4)).

Рис. 4

Величины термоЭДС и термотока невелики, поэтому они измеряются соответственно в милливольтах (мВ) и миллиамперах (мА).

Термопара служит для определения температуры среды при ее нагреве. Для этого термопара должна быть предварительно проградуирована. Под градуировкой термопары понимается построение экспериментальной зависимости термоЭДС от разности температур ее спаев (т.е., зависимость e(DT)). Градуировка термопары задается в виде графика e(DT) или в виде таблицы e(DT). Для этого один спай термопары помещают в сосуд с неизменной температурой  (обычно это термос, в котором находится вода со льдом - t= 0 °С), а другой спай в печь, в которой происходит нагрев. Величину a  можно найти как тангенс угла наклона зависимости e (DT) к оси абсцисс DT.