Описание экспериментальной установки

Термопара - датчик температуры, действие которого обусловлено взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлических проводниках.

Термопара состоит из железной и константановой проволок, имеющих контакт в двух точках. Один проводник разрезан (т. А и т. В) и его концы присоединены к чувствительному гальванометру (Г). Контакты термопары (т. С и т. D) опущены в сосуды с водой. В одном сосуде вода имеет комнатную температуру, а в другом ее нагревают электроплиткой. Для измерения температур в сосуды вставлены термометры (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Вольт опытным путем установил, что при тесном соприкосновении двух различных металлов между ними возникает разность потенциалов, зависящая не только от химического состава металлов, но и от температуры.

Эта разность потенциалов названа контактной разностью потенциалов, сокращенно - КРП. Причин, вызывающих КРП, - две:

1. Внешняя. У разных металлов разная структура кристаллической решетки, а следовательно и разная работа выхода. Чтобы свободный электрон мог покинуть пределы металла, он должен совершить за счет своей энергии работу против кулоновских сил, действующих на него со стороны положительных ионов решетки, эта работа называется работой выхода. Если ввести в контакт два металла, у которых неодинаковая работа выхода, т.е. А₂ > А₁, то свободные электроны пойдут из металла 1 в металл 2. Причем металл 2 будет заряжаться отрицательно, а металл 1 - положительно. Возникает КРП, которая называется внешней. Она создает поле напряженностью Е. Это поле будет препятствовать дальнейшему переходу электронов из металла 1 в металл 2. Переход прекратится, когда работа по перемещению электронов за счет разности потенциалов станет равна разности работ выхода (рис. 2).

+ 1 + + + +

2 - - - - -

Рис. 2.

Величина данной КРП равна:

где e - заряд электрона.

2. Внутренняя. Причиной внутренней КРП является различная концентрация свободных электронов в металлах. Если концентрация свободных электронов в металле 1 - n₁, а в металле 2 - n₂, причем n₂>n₁, то начинается переход электронов из металла 1 в металл 2 и возникает внутренняя КРП, электрическое поле которой прекратит дальнейший переход электронов из металла 1 в металл 2. Величина данной КРП равна:

,

где:

k - постоянная Больцмана;

e - заряд электрона;

T - температура контакта.

Суммарная КРП, обусловленная обеими причинами, будет равна:

,

Если составить замкнутую цепь из двух разнородных металлов 1 и 2 (рис. 3), у которых А₁<A₂ и n₁>n₂ , то цепь будет иметь два спая, у каждого из которых возникает КРП U₁ и U₂. Можно считать, что каждый спай обладает определенной ЭДС.

Рис. 3.

Так как один из спаев будет способствовать движению свободных электронов по часовой стрелке, а другой - против, то их ЭДС будут направлены в противоположные стороны, а суммарная ЭДС всей цепи равна их разности. Если T₁= T₂, то U₁=U₂ и e= 0. Если температура спаев различна и T₁> T₂, то в цепи появится ЭДС, которая называется термоэлектродвижущей силой и равняется:

.

- удельная термоэлектродвижущая сила, измеряется в вольт/град и численно равна термоэлектродвижущей силе, которая возникает при разности температур спаев в 1 град.

Численное значение и знак зависят от природы контактирующих проводников, от характера их обработки, примесей и интервала температур, в котором используется термопара.

Замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различной температуры контактов между проводниками, называется ТЕРМОЭЛЕМЕНТОМ или ТЕРМОПАРОЙ.

Для того, чтобы с помощью термопары можно было определить температуру, ее следует проградуировать.

Проградуировать термопару - значит определить зависимость между значениями термо-ЭДС и разностью температур ее контактов = f(DT) и представить ее графически.

Применение термопары

Термопары являются очень чувствительным и точным датчиком температуры и применяются для определения мощности инфракрасного и ультрафиолетового излучения, в качестве генераторов тока. В медицине используются в устройствах для измерения температуры. При этом высокая чувствительность обеспечивает достаточную точность измерения.

Термопары применяются для измерения температур в широком интервале (от –270 до +1500°С). Особенно выгодно пользоваться термопарами при измерении температур малых объектов вследствие небольших размеров и теплоемкостей термопар.

В биологии и медицине часто применяют термопары при измерении температур животных и растительных тканей, вводя в них термопару в виде иглы, а также при измерении температуры поверхности кожи.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что называется контактной разностью потенциалов?

2. Что называется работой выхода электрона из металла?

3. При каких условиях возможен выход электрона из металла?

4. Против каких сил должен совершить работу электрон, чтобы покинуть пределы металла?

5. Какими причинами обусловлена контактная разность потенциалов?

6. От чего зависит контактная разность потенциалов?

7. В каком направлении будут двигаться свободные электроны при тесном контакте двух металлов, у которых А₂>А₁?

8. Как действует электрическое поле, обусловленное КРП, на переход электронов из одного металла в другой?

9. Будет ли происходить движение свободных электронов из одного металла в другой при установившемся значении КРП?

10. Что называется термо-ЭДС?

11. Запишите формулу термо-ЭДС.

12. В чем состоит физический смысл удельной термо-ЭДС? В каких единицах она измеряется?

13. Что такое термопара?

14. Для чего применяется термопара в медицине?

15. Каковы преимущества измерения температуры термопарой?

16. Что значит проградуировать термопару?

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Последовательность действий	Способ выполнения задания
1. Подготовка термопары к работе.	1. Проверьте схему в соответствии с рис.1. 2. Поместите спаи термопары и термометры в сосуды с водой.
2. Исследование зависимости термоэлектродвижущей силы от разности температур.	1. Через некоторое время, когда спаи термопары примут температуру воды в сосудах, отсчитайте показания термометров T1 и T2 и гальванометра (n - число делений). 2. Включите нагреватель. Через каждые 100 отсчитайте показания термометра T2 и гальванометра n. Измерения повторите до 80 - 900. Полученные данные занесите в таблицу.
№ п/п	Т1 (с)	Т2 (с)	DТ= Т1-Т2 (°С)	n (дел.)	(В)
и т.д.
	3. Запишите цену деления C гальванометра, его сопротивление Rг и дополнительное сопротивление Rg (сопротивление соединительных проводов значительно меньше Rg, поэтому его значением можно пренебречь).
3. Обработка результатов измерений.	По закону Ома рассчитайте термоэлектродвижущую силу для каждого измерения. = I (Rг +Rg) =с n (Rг+Rg)
4. Построение графика.	По полученным данным постройте график зависимости =f(DТ) на миллиметровой бумаге.
5. Определение удельной термо-ЭДС.	1. Учитывая, что =0DТ, определите значение E0: а) исходя из построенного графика; б) исходя из табличных данных
6. Вывод.	Сделайте вывод о проделанной работе.