Градуирование термопары и определение термоэлектродвижущей силы
Термопара образуется при соединении друг с другом двух разнородных металлов. Место соединения обычно называется спаем. Между двумя соприкасающимися металлами возникает контактная разность потенциалов. Её возникновение связано с переходом свободных электронов из одного металла в другой. В результате один металл заряжается положительно, другой – отрицательно (рис.1).
 | Явление перехода электронов из одного металла в другой обусловлено двумя причинами. 1.Электроны переходят из металла с меньшей работой выхода Ав в металл с большей работой выхода. Работой выхода электронов из металла называется энергия, которую нужно сообщить электрону для его выхода из металла. |
2.Разные металлы имеют разную концентрацию n электронов. При контакте двух металлов электроны переходят из металла с большей концентрацией электронов в металл с меньшей концентрацией.
Действуя совместно, эти эффекты создают суммарную контактную разность потенциалов j1 - j2, зависящую от температуры. Возникшая разность потенциалов носит название термоэлектродвижущей силы e.
Расчёты показывают, что величина термо-ЭДС определяется формулой:
(1)
Из этого уравнения видно, что термо-ЭДС e пропорциональна температуре места спая металлов. Поэтому величина eможет быть использована для измерения температуры.
Для более точного определения температуры используют две термопары, соединённые навстречу друг другу (рис.2).
 | Разность потенциалов на концах такой цепи зависит от разности температур Т1 – Т2 = DT и определяется выражением:  (2) |
Результирующая термо-ЭДС e пропорциональна разности температур спаев DТ. Если температура одного из спаев известна и постоянна (например, температура таяния льда, 0оС), по величине термо-ЭДС можно определить температуру второго спая.
Обозначим:
(3)
Коэффициент a является основной характеристикой термопары. Он определяет изменение термо-ЭДС при изменении температуры одного из спаев на 1К. В общем случае величина a зависит от температуры, но в пределах диапазона температур данной работы можно считать aпостоянной величиной.
С учётом (3), равенство (2) можно записать в виде:
(4)
При замыкании концов термопар на чувствительный прибор (амперметр, гальванометр) через прибор потечёт ток:
(5)
Здесь R - общее сопротивление цепи.
Экспериментальное получение зависимости тока I в цепи от разности температур спаев DТ носит название градуировки термопары. График зависимости I от DТ называется градуировочным графиком.
Целью работы является определение термо-ЭДС и постоянной a термопары и нахождение отношения концентрации электронов n1/n2 в металлах, составляющих термопару.
СХЕМА УСТАНОВКИ
 | В качестве материалов для термопар могут использоваться различные металлы, например, медь-константан, сплавы: хромель- алюмель, и др. Первая термопара (рис.3) находится в сосуде с водой, температуру Т1 которой можно менять с помощью электроплитки (печь на рис.3). Вторая термопара находится в сосуде с постоянной (комнатной) температурой Т2 =20оС. |
Температура Т1 нагреваемой воды измеряется с помощью термометра, погружённого в сосуд. Термопары через магазин сопротивлений М подключены к чувствительному амперметру G, измеряющему ток I цепи. Градуировка термопары производится при сопротивлении магазина R = 0. Последней точкой градуировочного графика является температура кипения воды (100оС).
Для определения термо-ЭДС в цепь во время кипения воды (100оС) с помощью магазина сопротивлений М вводят сопротивления R1 и R2, при которых измеряют значения токов I1 и I2. По закону Ома:
; 
Здесь r - сумма сопротивлений всех остальных участков цепи, кроме сопротивлений магазина М. Исключая из этих уравнений r и решая их относительно e, получаем:
(6)
По величине ЭДС, при данной разности температур DТ спаев термопары, можно найти коэффициент a:
(7)