Прилади та обладнання

Мета роботи

Лабораторна робота № 27

ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАРИ І ВИМІР КОЕФІЦІЄНТА ТЕРМОЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ

· провести прямі вимірювання термоелектрорушійної сили в залежності від різниці між спаями термопари.

· Розрахувати коефіцієнт термоелектрорушійної сили a.

· компенсаційний потенціометр,

· термопара з термометрами,

· електрична плитка.

Коротка теорія. Робота виходу. Процес утворення металу, наприклад, з розплаву називається кристалізацією. Під час кристалізації чистих металів або сплавів відбувається зближення їх структурних частинок настільки, що орбіталі валентних (зовнішніх) електронів одної частинки охоплюють сусідні атоми іншої частинки. Тепер, у зв¢язку з нерозрізнюваністю електронів (не можна позначити їх належність до якогось певного атому), валентні електрони одночасово належать усім структурним частинкам у межах об¢єму кристала. Це означає, що валентні електрони в межах металу “сколективізувалися” у газ вільних електронів у який занурено кристалічну решітку з іонами у вузлах. Нагадаємо, що валентні електрони визначають валентність атомів і вони відповідають за хімічні зв¢язки атомів у молекулах.

Вузли кристалічної решітки металу (додатні іони) знаходиться у постійному тепловому коливальному русі, а вільні електрони - у хаотичному тепловому русі, маючи теплову кінетичну енергію , величина якої має порядок kT. Під час теплового руху, вільні електрони можуть виходити за поверхню металу. При цьому їх кінетична енергія перетворюється у потенціальну енергію взаємодії електронів із додатними іонами кристалічної решітки і через деякий час, під дією кулонівської сили взаємодії, електрони повертаються у метал. Таким чином над поверхнею металу при завжди існує електронна хмарка, якій можна приписати деяку середню величину заряду і середній потенціал . Одночасово на поверхні металу утворються однакової величини по відношенню до електронної хмарки незкомпенсований додатній заряд іонів решітки і потенціал . Таким чином над поверхнею металу створюється електричне поле з вектором напруженості , напрямленим від поверхні кристалу та таким, що протидіє виходу електрона за поверхню металу.

Щоб електрону подолати подвійний потенціальний бар¢єр при поверхні провідника, він повинен виконати роботу проти сил електричного поля

. (1)

Величина

(2)

називається поверхневою різницею потенціалів, а робота A – називається роботою виходу електрона із металу, яка виконується проти кулонівських сил взаємодії електрона з незкомпенсованим зарядом іонів решітки і зарядом електронної хмарки над поверхнею металу .

Перший закон Вольта. При контакті двох металів з різними роботами виходу, між їх вільними кінцями виникає так звана поверхнева контактна різниця потенціалів, величина якої визначається роботами виходу

. (3)

Якщо , то електрони з другого металу будуть переходити у перший до тих пір поки не вирівняються їх роботи виходу (стануть однаковими поверхневі потенціали) і другий метал буде мати додатній заряд, а перший - від¢ємний заряд. Ці заряди і утворять , яка залежить також від чистоти та стану поверхонь. Величина коливається від десятих до одиниць вольт.

Експериментально виявив зовнішню контактну різницю потенціалів Вольт. Він установив ряд металів у якому кожний слідуючий елемент заряджається позитивно, тобто роботи виходу у металах ряду зменшуються. Цей ряд такий

Al, Zn, Cd, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag.

Другий закон Вольта. Різниця потенціалів між кінцями ланцюга, з'єднаних різнорідних провідників, що мають однакову температуру, не залежить від хімічного складу проміжних провідників, і дорівнює контактній різниці потенціалів, що виникає при безпосередньому з'єднанні крайніх провідників.

Для пояснення цього закону розглянемо ланцюг з'єднаних провідників (див.Мал.1).

Різницю потенціалів між крайніми металами можна записати як суму контактної різниці потенціалів на кожному з провідників у вигляді Dj₁₇ = (j₁ - j₂) + (j₂ - j₃ ) + (j₃ - j₄) + (j₄ - j₅) + (j₅ - j₆ ) + (j₆ - j₇) і після розкриття дужок маємо

Dj₁₇ = (j₁ - j₇),

що й пояснює другий закон Вольта.

Внутрішня контактна різниця потенціалів. Різні метали мають різні концентрації вільних електронів n, а тому через контактну поверхню відбувається дифузія електронів із металу з більшою концентрацією в метал із меншою концентрацією до їх вирівнювання на границі. Унаслідок цього виникає додаткова різниця потенціалів Dj''»10^-4T В.

З класичної точки зору концентрацію електронів у потенціальному електричному полі з відповідним потенціалом при поверхні розділу двох металів можна записати у виді

. (4)

Із (1) можна одержати

, (5)

а внутрішню контактну різницю потенціалі із цих виразів можна записати так

. (6)

Відношення

,

а тому можна записати

. (7)

Термопара. Якщо створити замкнений ланцюг з двох металів (термопара) і підтримувати один контакт при температурі , а другий при температурі , то на контактах утворяться різні за величиною контактні різниці потенціалів

, (8)

а різниця цих потенціалів стане рівною

. (9)

Величина називається термоелектрорушійною силою (ТЕРС), яку записують у вигляді

(10)

де

. (11)

Величина - називається коефіцієнтом термоелектрорушійної сили.

У записаних виразах k ¾ стала Больцмана, е ¾ заряд електрона. За порядком величини для кімнатних температур .

Експериментальна частина. Термопара складається з двох різнорідних провідників, кінці яких для кращого контакту скручуються й зварюються.

Найбільш уживані термопари:

I) константан - залізо;

2) константан - мідь;

3) платина - платинородій /сплав 90 % платины і 10 % родію/.

Примітка. Константан являє собою сплав 38,8 % Сu + 40,0 % Ni + 1,2 % Мn.

В даній роботі потрібно відградуювати (тобто установити залежність термоелектрорушійної сили від різниці температур спаїв) термопари константан - мідь. Термоелектрорушійну силу термопари вимірюють цифровим вольтметром.

Експериментальна установка зображена на Мал.1. Спаї термопари мідь - константан занурені в олію, що знаходиться в судинах. Одна із судин нагрівається електричним нагрівачем. В іншу судину поміщено холодний спай термопари. Виникаючу внаслідок нагрівання одного зі спаїв термопари ТЕРС, вимірюємо за допомогою потенціометра постійного струму.

Хід виконання лабораторної роботи

1. Не вмикаючи нагрівач, записати показання термометра і значення температури спаїв Т₀.

2. Включити нагрівач. При підвищенні температури до 60°С вимірювати термоелектрорушійну силу через кожні 5 К. Дані записати в Таблицю.

Методика обробки результатів вимірювання.

Прийнявши, що термоелектрорушійна сила термопари лінійно залежить від температури (10), покладемо y лінійній залежності y=a+bx

.

Методом найменших квадратів у Excel визначити коефіцієнт термоелектрорушійної сили a та його довірчий інтервал. Результат представити у виді

з коефіцієнтом кореляції

.

Контрольні питання

1. Що називається роботою виходу електрона з металу? Чим вона обумовлена і від чого залежить?

2. Сформулюйте закони Вольта і на підставі електронної теорії виведіть вираз (10) для контактної різниці потенціалів між двома металами.

3. Що називається термоелектрорушійною силою і від чого вона залежить?

4. У чому полягає сутність методу найменших квадратів?

Дата добавления: 2015-05-23