Градуировка термопары и определение её чувствительности

Лабораторная работа № 39

1. Цель работы: закрепление теоретических знаний по теме 5.9. “Элементы физики твердого тела”

приобретение практических навыков

изучение методики расчетов

2. Порядок подготовки к выполнению работы изучить тему и материал лабораторной работы

3. Порядок выполнения лабораторной работы

4. Подведение итогов выполнения работы

предъявить результаты, подготовка и оформление отчета, заполнить таблички, произвести обработку результатов измерений

5. техника безопасности при выполнении лабораторной работы

Цель работы: ознакомиться с одним из методов градуировки термопары и определить её чувствительность.

Приборы и принадлежности: исследуемая термопара, два фарфоровых сосуда, два термометра с пределом измерения до 100^ºС, гальванометр, двухсторонний переключатель, сопротивление на 1000 ом, электроплитка с сосудом, соединительные провода.

Теоретические сведения

При соединении двух химических разнородных проводников между ними возникает так называемая контактная разность потенциалов.

Если же составить замкнутую цепь из последовательно соединённых разнородных проводников, то сумма контактных разностей потенциалов равна нулю и тока в цепи не существует, т.е.

Это справедливо в том случае, если температура всех контактов цепи одинакова.

Если же в такой замкнутой цепи создать разность температур между контактами, т.е. один контакт (спай) нагреть, а другой оставить холодным, то в цепи возникает так называемое термоэлектродвижущая сила. Известно, что в определённом интервале разностей температур спаев возникающая термо-э. д. с. пропорциональная разности температур:

Е^* = (t₁ – t₀), (35)

где: Е^*- термо-э.д.с.;

- коэффициент пропорциональности, выражающий термо-э.д.с., возникающую при разности температур спаев термопары в 1º; зависит от материала термопары и называется чувствительностью термопары.

Теория объясняет контактную разность потенциалов двумя причинами: различием работ выхода электронов из разных металлов и различной концентрации свободных электронов в металлах .

При этом величина термо-э.д.с. выражается формулой

Е^* = ,

где k – постоянная Больцмана;

е – заряд

t₁ – t₂ – разность температур спаев термопары ;

n₁ и n₂ – концентрация электронов в соответствующих проводниках.

Для выполнения данной работы используется установка, изображённая на рис.42.

Если при данной разности температур спаев и при включенном внешнем сопротивлении R показания гальванометра составляют n₁, то закон Ома для всей цепи запишется так:

E^* = I₁ (R + r),

где ток в цепи

I₁ = cn₁.

Таким образом,

E^* = cn₁ (R + r), (36)

где с – постоянная гальванометра;

r – сопротивление термопары, гальванометра и соединительных проводов;

Е^* - термо-э.д.с., возникающая в термопаре при данной разности температур спаев.

при той же разности температур показание гальванометра без включенного внешнего сопротивления (R = 0) равно n₀. Термо-э.д.с. (36) выразится зависимостью

E^* = cn₀ r. (37)

Исключив из (36) и (37) неизвестное r и решив уравнение E^* = cn₁ (R + ) относительно Е^*, получим:

Е^* = (38)

Из соотношений (35) и (38) определяем :

. (39)

Данное выражение используется в работе для определения чувствительности термопары.

Градуировка термопары состоит в установлении зависимости между разностью температур спаев (t₁ – t₂) и показаниями гальванометра n₀.

Проградуированную термопару можно использовать для определения температур различных средств.

Описание приборов

Установка, изображённая на рис.42, состоит из исследуемой термопары, помещённой в фарфоровые сосуды А и В, наполненными водой с разными температурами. Температура воды, а следовательно, и спаев термопары определяется термометрами Т₁ и Т₂.

Переключателем К осуществляется включение и выключение внешнего сопротивления цепи.

Величину тока в цепи определяют чувствительным микроамперметром с нулём посередине шкалы, а поэтому при его включении полярность можно не учитывать.

Подогрев воды для опыта производится в специальном сосуде на Электро плитке.

Порядок выполнения работы.

1. Собрать установку согласно схеме (рис.42) и налить в сосуды А и В соответственно холодную и подогретую до 50º - 60 ºС воду.

2. При данной разности температур спаев замкнуть цепь без внешнего сопротивления и отметить показания прибора n₀.

Если при этом указатель прибора выходит за пределы шкалы, то необходимо уменьшить температуру горячего спая, подливая в сосуд холодную воду.

3. Переключатель К перебросить в другое положение (включено сопротивление R) и так же отметить показания прибора n₁.

Операции согласно пп. 2 и 3 необходимо производить быстро – так, чтобы практически разность температур, а значит, и возникающая э.д.с., осталась неизменной.

Вышеуказанные операции произвести не менее 5 – 6 раз, для различных разностей температур.

Температуру горячего спая следует понижать, подливая холодную воду в сосуд в таком количестве, чтобы температура уменьшалась на 3 - 5 º.

Обработка результатов измерений

Данные опыта заносят в таблицу (см.табл. 9).

№п/п	t2	t1	t1 – t2	n0	n1

По формуле (39) для каждого измерения вычисляют ₁, ₂, _ср и _ср.

Результаты записывают в виде

.

На миллиметровой бумаге строят график зависимости n₀= ƒ(t₁ – t₂), используя данные опыта.

Вопросы для самопроверки

1. Чем обусловлена контактная разность потенциалов?

2. В чём состоит закон Вольта?

3. Что представляет собой работа выхода электрона из металла и от чего она зависит?

4. В чём заключается термоэлектрические явления и где эти явления применяются?

Литература

1. Яворский Б.М. и др., Курс лекций по физике, “Высшая школа”, т. II, 1960, гл, Х.

2. Фриш С. Э., Тиморева А. В., Курс общей физики, Физматгиз, 1962 (темы “Контактная разность потенциалов”, “Термоэлектрические явления”).