Градуировка термопары компенсационным методом
Цель работы. изучить компенсационный метод измерения ЭДС, провести градуировку исследуемой термопары, измерить постоянную термо-ЭДС.
Приборы и принадлежности
1. Прибор универсальный измерительный УПИП – 60М.
2. Исследуемая термопара.
3. Электрический нагреватель.
4. Термометр.
Краткая теория
При соединении двух разнородных металлов возникает разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов.
Итальянский физик А. Вольта установил экспериментально два закона:
1. Контактная разность потенциалов зависит от химической природы и температуры соприкасающихся проводников.
Контактная разность потенциалов цепи из последовательно соединенных разнородных проводников, имеющих одинаковую температуру, не зависит от химической природы промежуточных проводников, а определяется контактной разностью потенциалов, которая возникает при контакте крайних проводников.
Рассмотрим контакт двух металлов с разными работами выхода. Работой выходаэлектрона из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на уровне Ферми, чтобы удалить его из металла. Уровнем Ферми в металле называется верхний энергетический уровень, заполненный электронами при температуре 0 К.
Пусть работа выхода электронов из первого металла меньше, чем из второго 
, а уровень Ферми в первом металле выше, чем во втором 
(см. рис. 1,а). При контакте двух металлов электроны будут переходить с высоких энергетических уровней первого металла на более низкие энергетические уровни второго металла. В результате уровни Ферми обоих металлов выравниваются и возникают внешняя и внутренняя контактная разности потенциалов (см. рис. 1,б).
Внешняя контактная разность потенциалов между точками А и В определяется разностью работ выхода электронов из металла и равна 
, (1)
здесь е – элементарный электрический заряд.
| |
|
| |
| |
| |
|
| |
Внутренняя контактная разность потенциалов возникает между двумя точками разнородных металлов, находящихся в двойном электрическом слое, который образуется в приконтактной области. Этот слой называется контактным. Его толщина в металлах составляет 
м.
Внутренняя контактная разность потенциалов определяется разными значениями энергий уровней Ферми двух разнородных металлов
. (2)
К возникновению внутренней контактной разности потенциалов приводит разная концентрация электронов в металлах. Внутренняя контактная разность потенциалов зависит от температуры контактов и обусловливает термоэлектрические явления. Внешняя контактная разность потенциалов много больше внутренней контактной разности потенциалов.
Второй закон Вольта можно вывести на примере соединения трех разнородных металлов.
Разность потенциалов в цепи, содержащей последовательно соединенные проводники при одинаковой температуре, равна сумме всех разностей потенциалов, поэтому, учитывая формулы (1) и (2), можно записать
. (3)
Таким образом, из формулы (3) следует, что разность потенциалов в цепи, состоящей из трех проводников, зависит только от характеристик крайних металлов.
В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек (1770 – 1831) открыл экспериментально, что в замкнутой цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников, появляется электрический ток, если температуры контактов разные. Это возникновение термоэлектрического тока называется явлением Зеебека.
Пусть в цепи, состоящей из двух разнородных металлов, спаи имеют разную температуру и 
. Направление тока указано на рис. 2.
Опыт показывает, что термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) в замкнутой цепи прямо пропорциональна разности температур в контактах
. (4)
Коэффициент 
называется постоянной термоэлектродвижущей силы. Единица измерения в СИ 
. Постоянная термо-ЭДС зависит от химической природы металлов.
Из формулы (4) можно определить температуру 
. (5)
Выражение (5) применяют при дистанционном измерении температуры с помощью термопары. Термопара – это устройство для измерения температуры, которое состоит из двух сваренных по концам разнородных металлов. Первый спай термопары размещают в месте замера температуры ( ), а второй спай имеет температуру окружающей среды ( 
). Измеряя термо-ЭДС и температуру , подставляя известное значение постоянной термо-ЭДС ( 
), можно вычислить по формуле (5) значение температуры .
Описание установки
Проградуировать термопару — значит построить графическую зависимость термо-ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев и определить постоянную термопары.
Термо-ЭДС измеряется с помощью потенциометра постоянного тока, в основе устройства которого лежит компенсационный метод. Принципиальная схема, поясняющая суть метода, приведена на рис. 3.
От источника напряжения тока 
с помощью регулируемого сопротивления R устанавливается рабочий ток 
в измерительном сопротивлении 
. Поставив переключатель П в положение «1», можно изменением рабочего тока при неизменном значении добиться равенства ЭДС нормального элемента 
и падения напряжения на участке АВ, т.е.
. (6)
Сила тока в гальванометре Г будет равна нулю, т.к. токи от источника и нормального элемента направлены противоположно.
Переводя переключатель П в положение «2», можно, изменяя , найти такое сопротивление 
, при котором падение напряжения на участке АВ будет равно 
, и гальванометр при этом также покажет нулевое значение
. (7)
|
Поделив выражение (7) на (6), можно определить значение неизвестной ЭДС
(8)
Неизвестная ЭДС 
является искомой термо-ЭДС. В описанном методе измерение ЭДС осуществляется с помощью образцовых мер: нормального элемента 
и сопротивления 
. Нормальный элемент, ЭДС которого известна очень точно, служит лишь для градуировки потенциометра, т.е. для установки точного значения рабочего тока. В качестве последнего применяют нормальный элемент Вестона, ЭДС которого: 
В. Нормальный элемент Вестона ценен тем, что его ЭДС слабо зависит от температуры и сохраняет практически постоянное значение при условии бережного обращения с прибором.
На рис. 4 представлена установка для градуировки термопары. Она состоит из универсального измерительного прибора УПИП - 60 М, термопары, нагревателя и термометра. УПИП - 60 М предназначен для измерения напряжения, а в данном случае для измерения термо-ЭДС компенсационным методом.
На рис. 5 представлена лицевая панель прибора:
1 - клеммы подключения термопары;
2 - ручка реостата «точно»;
3 - ручка реостата «грубо»;
4 - переключатель питания; 
5 - клеммы подключения термопары;
6 - ручка реостата «точно»;
7 - ручка реостата «грубо»;
8 - переключатель питания;
9 - переключатель В 12;
10 - ручка секционированного переключателя;
11 - ручка реохорда;
12 - переключатель пределов потенциометра.
Выполнение работы
1. Подключить термопару к зажимам «-» и «mV» универсального измерительного прибора УПИП – 60 М, соблюдая полярность.
2. Установить переключатель «род работы» в положение «потенциометр».
3. Установить переключатель питания в положение «питание включено».
4. Установить переключатель пределов потенциометра в положение «х 0,5» или «х 1».
5. Для установки рабочего тока потенциометра установить переключатель В12 в положение «К».
6. Установить стрелку гальванометра на «0» сначала вращением рукоятки «грубо» при нажатой кнопке «грубо», а затем вращением рукоятки «точно» при нажатой кнопке «точно».
7. Измерить термо-ЭДС термопары при комнатной температуре. Для этого установить переключатель В12 в положение «Н». Вращением рукояток секционного переключателя и реохорда установить стрелку гальванометра на «0» сначала при нажатой кнопке «грубо», а затем при нажатой кнопке «точно». Значение термо-ЭДС в милливольтах будет равно сумме показаний шкал секционного переключателя и реохорда, умноженной на множитель, установленный на переключателе пределов потенциометра.
8. Включить нагреватель и провести замеры термо-ЭДС через каждые 10 0С