05032013_3225 / РАБ.№4-2

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория электричества и магнетизма №2(114)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ГРАДУИРОВАНИЕ ТЕРМОПАРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ МЕТАЛЛОВ ТЕРМОПАРЫ

Отредактировал: доцент Русских И.Т.

Ижевск 2013

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ГРАДУИРОВАНИЕ ТЕРМОПАРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ МЕТАЛЛОВ ПАРЫ.

Приборы и принадлежности: 1) термопара, 2) калориметр, 3) 2 ртутных термометра, 4) милливольтметр, 5) электропечь, 6) термоэлектрогенератор ТЭГК 2-2.

Измерение температуры с помощью термопар основано на применении термоэлектрических явлений, которые заключаются в том, что в цепи, состоящей из двух (или нескольких) разнородных металлов при наличии разности температур в местах соединения возникает термоэлектродвижущая сила. Если цепь замкнута, как, например, показано на рис.1, то в цепи потечёт электрический ток. При тесном соприкосновении двух разнородных металлов (которое достигается путем сварки или спайки) возникает разность потенциалов, называемая контактной и обусловлена различной работой выхода и плотностью свободных электронов (количество свободных электронов в единице объема) разных металлов.

При контакте двух различных металлов 1 и 2, имеющих разную работу выхода А₁ и А₂ допустим, что А₂ > А₁.

Очевидно, что свободные электроны, попавшие в процессе теплового движения на границу раздела металлов будут втянуты во второй металл, так как со стороны этого металла на электроны действуют большие силы притяжения. Следовательно, через поверхность соприкосновения металлов происходит "перекачка" свободных электронов из первого металла во второй, в результате чего первый металл зарядится положительно, второй отрицательно. Возникающая при этом разность потенциалов создаёт электрическое поле напряжённостью Е₁, которое затрудняет дальнейшую "перекачку" электронов, и совсем прекратит её, когда работа перемещения электрона за счёт контактной разности потенциалов станет равной разности работ выхода

или (1)

Здесь е — абсолютная величина заряда электрона.

Значение — составляет обычно около одного вольта.

Предположим теперь, что в контакт приведены два металла 1 и 2, имеющие одинаковые работы выхода А₁ = А₂, но различные концентрации свободных электронов n₁ и n₂ (число свободных электронов в единице объёма металла). Допустим, что n₂ < n₁. Тогда начнётся преимущественный перенос свободных электронов из первого металла во второй. В результате первый металл зарядится отрицательно, второй положительно. Между металлами возникнет разность потенциалов , которая прекратит дальнейший преимущественный перенос электронов. Теоретический расчёт показывает, что разность потенциалов зависит от соотношения концентрации свободных электронов и от температуры Т:

(2)

Здесь k – постоянная Больцмана. При комнатной температуре значение имеет порядок 10^-1 В.

В общем случае контакта металлов, различающихся и работой выхода, и концентрацией свободных электронов, контактная разность потенциалов согласно формулам (1) и (2) будет:

(3)

Если составить замкнутую цепь из двух разнородных металлов 1 и 2 (рис.1) и температуры контактов (спаев а и в) поддерживать различными, Т_а > Т_в, то согласно формуле (3) контактная разность потенциалов в горячем спае больше, чем в холодном > . В результате между спаями а и в возникает разность потенциалов:

(4)

Разность потенциалов называется термоэлектродвижущей силой. Пользуясь формулами (3) и (4), получим:

или , где (5)

(5)

является постоянной величиной для данной пары металлов, если пренебречь зависимость концентрации электронов n₁ и n₂ от температуры.

Замкнутая цепь проводников, создающая электрический ток за счёт различия температуры контактов между проводниками называется термопарой. Формула (5) показывает, что термоэлектродвижущая сила термопары пропорциональна разности температур спаев.

Следует указать, что пропорциональность между электродвижущей силой и разностью температур спаев хорошо подтверждается опытными данными для многих металлов, но в ряде случаев указанная закономерность получается более сложной. Так, например, для термопары, составленной из железа и меди при разности температуры свыше 400 ⁰С термоэлектродвижущая сила меняет свой знак.

Величина термоэлектродвижущей силы невелика, например, для термопары из меди и константана она составляет 42 микровольта на 1 ⁰. В этой термопаре ток будет идти через спаи от константана к меди; в холодном спае направление тока будет обратным.

В настоящее время явление возникновения электродвижущей силы при изменении температуры одного из спаев термопары широко используется в лабораторной и технической практике в качестве наиболее точного и удобного способа измерений температуры воспламенения горючей смеси в двигателях, для изучения теплового режима почв и т.д. Термопары могут быть изготовлены любой формы и размеров, например, в виде иглы: в этом случае они могут быть использованы для определения температуры различных мелких животных, например, насекомых. Термопарой - иглой легко определяют температуру поверхности животных в различных точках и даже их внутренних органов. Точность измерения температур с помощью термопары может быть доведена до миллионных долей градуса.

Для того, чтобы пользоваться термопарой для измерения температуры, необходимо предварительно проградуировать её. Для градуировки термопары применяется специальная установка, изображённая на рис.3.

Один из спаев термопары находится в калориметре К, наполненном водой. Туда же помещён термометр 1 для измерения температуры спая. Другой спай термопары помещается в сушильный шкаф. Контроль температуры осуществляется термометром 2.

Спаи соединяются промежуточными проводниками через милливольтметр, как показано на рис. 3, с соблюдением знаков, обозначенных на клеммах.

Термоэлектричество находит применение не только для измерения температуры. В некоторых случаях оно может быть использовано для питания радиоаппаратуры и других потребителей тока. Для этой цели несколько десятков или сотен одинаковых термопар соединяют последовательно, при этом одни спаи нагреваются, а другие остаются холодными. Такое устройство даёт возможность получать ток достаточно высокого напряжения и называется

Рис. 4 Установка для градуировки термопары

термоэлектрическим генератором. В наиболее совершенных термоэлектрических генераторах, имеющих наивысший КПД, используются полупроводниковые материалы.

Один из таких генераторов ТЭГК2-2 (термоэлектрогенератор керосиновый, двухваттный, модель вторая) изображён на рис. 5

5

4

1

9

6

7

3

2

8

6

Общий вид термогенератора:

1 – термоголовка, 2 –керосиновая лампа, 3 –ламповое стекло,

4 –металлическая труба, 5 – подвесное устройство, 6 – съёмная

цепочка, 7 – подвесное кольцо, 8 – клеммная колодка, 9 – металлические крылья.

Рис. 5

Над укороченным стеклом обыкновенной керосиновой лампы помещён нагреватель, имеющий вид многогранной призмы. Внутри нагревателя горячие газы протекают по нескольким каналам к вытяжной металлической трубе, нагревая горячие спаи термопар. Для того чтобы холодные спаи лучше охлаждались, к ним прижато 14 металлических крыльев, что значительно увеличивает площадь охлаждения. Термопары соединены в две батареи. Одна из них предназначена для питания анодных цепей приемников.

В настоящей работе требуется проградуировать термопару и составить для неё график зависимости отклонения милливольтметра от величины разности температур между спаями термопары, изучить устройство термоэлектрогенератора ТЭГК-2 и замерить ЭДС его цепей.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание №1

ГРАДУИРОВАНИЕ ТЕРМОПАРЫ

1. Собрать цепь согласно рис.3.

2. Произвести отсчёты по обоим термопарам и одновременно отсчитать отклонение стрелки милливольтметра.

3. Постепенно нагревая воздушную баню, производить отсчёты температуры и соответствующие значения отклонений стрелки милливольтметра. Отсчёты производить через каждые примерно 10 ⁰С до 100 ⁰С.

4. Результаты занести в таблицу.

Таблица

Градуирование термопары

t1, ^0C
t2, ^0C
(t2 – t1), ^0C
, мB

4. Построить график зависимости термоэлектродвижущей силы от разности температур спаев (по оси абсцисс обычно откладываются значения температур, а по оси ординат — значения электродвижущей силы).

Примечание: Нанесённые на график точки могут дать некоторый разброс, поэтому линия графика должна быть проведена так, чтобы по обе стороны её осталось примерно одинаковое количество точек.

Задание №2

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТЕРМОГЕНЕРАТОРА

1. Ознакомиться с устройством генератора. Зарисовать его с указанием основных деталей (схематически).

В целях пожарной безопасности в генераторе, применяемом в данной работе керосиновая горелка заменена 100-ваттной электролампочкой и спиральным электронагревателем, питающихся от сети переменного тока 220 В.

2. Включить в сеть лампочку 100-ваттную.

2. По прошествии нескольких минут записать максимальное показание прибора, измеряющего ЭДС батарей генератора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какая существует зависимость термоэлектродвижущей силы от разности температур спаев разнородных металлов?

2. Расскажите об устройстве и применении термопар.

3. Пользуясь полученным графиком, определите температуру горячего спая при показаниях милливольтметра 1,7 и 3 мВ.

4. Расскажите устройство и работу термоэлектрогенератора ТЭГК 2-2.

ЛИТЕРАТУРА

1. С.Э. Фриш, А.В. Тимофеева. Курс общей физики, т.2, § 170.

2. Р.И. Грабовский. Курс физики. § 80.

3. К.А. Путилов. Курс физики, т.2, §§ 32, 33.

8