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, 0^оС), 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 (100^оС).

Для определения термо-ЭДС в цепь во время кипения воды (100^оС) 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)