Вказівки до виконання роботи. Мета роботи: дослідити термоелектричні явища; проградуювати термопару; опанувати метод вимірювання температури за допомогою термопари

Лабораторна робота № 3.4. ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАРИ

Мета роботи: дослідити термоелектричні явища; проградуювати термопару; опанувати метод вимірювання температури за допомогою термопари.

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: класична теорія електропровідності металів; робота виходу електронів з металу; контактна різниця потенціалів; термоелектричні явища та їхнє практичне використання.

Література: [ 1, т.2 §§ 4.1 – 4.3, 4.6, 4.7; 2, §§ 240, 246, 247; 4, т.3
§§ 60, 62, 63].

Під термоелектричними явищами розуміють фізичні явища, зумовлені взаємозв’язком між тепловими та електричними процесами, що виникають у контактах металів (а також у напівпровідниках). Під час пропускання струму через коло, що складається з різнорідних металів (рис. 3.4.1), крім тепла Джоуля – Ленца, в одних спаях відбувається виділення, а в інших – поглинання тепла. Фізичний зміст цього явища полягає в тому, що носії струму (електрони) в різних металах мають різне значення потенціальної енергії, тому в разі переходу через спай в ділянку з нижчим рівнем потенціальної енергії, вони віддають надлишок енергії кристалічній ґратці, унаслідок чого спай нагрівається. За зворотного переходу носіїв струму відбувається охолодження спаю. Це явище, назване ім’ям Пельтьє, використовують, наприклад, для сворення холодильних установок.

Якщо здійснити контакт двох різних металів, між ними виникає різниця потенціалів, яку називають контактною. Контактна різниця потенціалів зумовлена тим, що роботи виходів електронів з цих металів неоднакові, тому що різними є рівні потенціальної енергії цих електронів, тобто рівні Фермі. Рівнем Фермі називають найвищий енергетичний рівень, притаманний електронам за абсолютного нуля температур. У разі виникнення контакту між металами електрони з металу з більш високим рівнем Фермі (тобто з меншою роботою виходу) почнуть переходити на більш низькі вільні рівні другого металу, в якому рівень Фермі знаходиться нижче. Перехід буде відбуватися доти, доки рівні Фермі не вирівняються. Величину цієї різниці потенціалів, наприклад, для контакту С (рис. 3.4.1), визначають за формулою:

,

де А ₁ і А ₂ – роботи виходів електронів з першого і другого металів, е – заряд електрона, k – стала Больцмана; – температура контакту С; n ₁ та n ₂ – концентрація електронів у першому і другому металах.

Якщо контакти з’єднати в точці В і підтримувати цей контакт за температури , то між точками кола ВС виникне різниця потенціалів, що дістала назву термоелектрорушійна сила (термо-ЕРС):

,

або (3.4.1)

Отже, якщо спаї С і В (рис. 3.4.1) підтримувати за різних температур, то у колі потече струм. Це явище відкрито Зеєбеком і назване на його честь.

Коефіцієнт у формулі (3.4.1) називають питомою термоелектрорушійною силою цієї пари металів. Вона свідчить про те, як змінюється електрорушійна сила внаслідок зміни різниці температур спаїв на 1 К.

Для більшості пар металів значення a має порядок 10^-5 ¸ 10^-4 В/К; для напівпровідників воно може бути значно більшим (до 1,5×10^-3 В/К). Явище Зеєбека використовується для створення приладів для вимірювання температур (термопар).

Термопара – це пристрій, що складається із контакту (спаю) двох різних металів (або сплавів) та приладу для реєстрації термоструму, наприклад гальванометра (рис. 3.4.2). Принцип дії термопари (в цьому випадку – диференціальної термопари) полягає у тому, що один спай вміщують у середовище, температуру якого слід виміряти, а другий – у середовище з відомою сталою температурою (наприклад, у посудину з льодом за 0 ^оС).

Термопари мають ряд переваг порівняно зі звичайними термометрами: вони дають змогу вимірювати температуру в широкому діапазоні – від десятків до тисяч градусів абсолютної шкали.

Можливість встановлення гальванометра на значному віддаленні від термопари дає змогу проводити дистанційне вимірювання температури. Вимірювати, наприклад, можна розподіл температурного поля в будівельних конструкціях у процесі їхнього виготовлення або експлуатації. Досліджуючи фізико-хімічні процеси, які відбуваються під час формування структури будівельного матеріалу, широко використовують диференціальний термографічний аналіз, у якому теплота, що виділяється або поглинається матеріалами, також вимірюється за допомогою термопар.

Мета цієї лабораторної роботи – проградуювати термопару, тобто встановити залежність між термо-ЕРС та різницею температур гарячого та холодного спаїв термопари і за цими даними визначити значення питомої термо-ЕРС.

Т _о

Рис. 3.4.3

К

Г

ø ~ ø

Т

Схема установки для градуювання термопари (рис. 3.4.3) складається з термопари 1; приладу для вимірювання термоструму (гальванометра) 2; термометра гарячого спаю термопари 3, нагрівника 4. Холодний спай термопари перебуває за кімнатної температури.

Дата добавления: 2015-05-24