Celem ćwiczenia jest poznanie fizycznych podstaw zjawiska termoelektrycznego i zapoznanie z techniką pomiaru temperatury za pomocą termopary.

Zjawisko termoelektryczne polega na powstaniu siły elektromotorycznej między spojeniami dwóch różnych metali, jeżeli między tymi spojeniami występuje różnica temperatur. Zjawisko to wykorzystuje się do pomiaru temperatury. Zastosowanie termopar umożliwia zdalny pomiar temperatury, rejestrację zmian temperatury, automatyczną regulację procesów technologicznych oraz pomiar temperatury bardzo małych obiektów. Dodatkowymi zaletami termopar są: ich prosta konstrukcja, trwałość, bardzo duży zakres pomiarowy, dokładność i czułość pomiaru oraz mała bezwładność cieplna.

Metal jest zbudowany z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną oraz elektronów swobodnych poruszających się między tymi jonami. Koncentracja elektronów swobodnych jest różna w różnych metalach, a ponadto zależy od temperatury. W miejscu styku następuje dyfuzja elektronów z metalu o większej koncentracji elektronów swobodnych do metalu o mniejszej koncentracji.

W obwodzie zamkniętym złożonym z dwóch różnych metali, gdy temperatury styków są jednakowe, następuje kompensacja napięcia Uab, powstałego na jednym ze styków, przez napięcie Uba na drugim styku. W obwodzie prąd nie płynie.

Jeżeli temperatury styków będą się różnić między sobą T1≠T2 , to napięcie kontaktowe Uab ≠Uba i w obwodzie popłynie prąd termoelektryczny. Na gruncie elektronowej teorii metali w złączu wykonanym z dwóch metali A i B ,to powstanie kontaktowa różnica potencjałów

gdzie

e - ładunek elektronu,

- energia Fermiego dla metalu A

- energia Fermiego dla metalu B.

W praktyce, dla niedużych różnic temperatur między spoinami można przyjąć liniową zależność siły termoelektrycznej od różnicy temperatur.

Stała α nazywa się współczynnikiem termoelektrycznym i oznacza wartość siły termoelektrycznej dla termopary wykonanej z danej pary metali przy różnicy temperatur między spojeniami równej 1 K.

1. Pomiar zależności siły termoelektrycznej od temperatury.

1.1 Schemat pomiarowy.

W podgrzewanym naczyniu znajdowała się termopara i termometr.

1.2 Tabela pomiarów.

t [°C]	20	21	22	23	24	25	26	27
U[V]	0,760	0,777	0,805	0,823	0,859	0,894	0,922	0,956

t	28	29	30	31	32	33	34	35
U	0,992	1,032	1,075	1,110	1,156	1,198	1,237	1,274

t	36	37	38	39	40	41	42	43
U	1,312	1,352	1,388	1,429	1,465	1,512	1,561	1,605

t	44	45	46	47	48	49	50	51
U	1,646	1,698	1,733	1,773	1,811	1,853	1,896	1,944

t	52	53	54	55	56	57	58	59
U	1,985	2,027	2,073	2,107	2,150	2,194	2,239	2,281

t	60	61	62	63	64	65	66	67
U	2,324	2,368	2,415	2,458	2,504	2,554	2,601	2,641

t	68	69	70	71	72	73	74	75
U	2,694	2,745	2,791	2,829	2,875	2,924	2,973	3,021

t	76	77	78	79	80	81	82	83
U	3,072	3,119	3,168	3,220	3,262	3,315	3,374	3,420

t	84	85	86	87	88	89	90
U	3,464	3,513	3,565	3,617	3,669	3,728	3,784

1.3 Wykres zależności U = f (t). Napięcia w funkcji temperatury.

1.4 Wzory i obliczenia.

Podczas ćwiczenia posłużono się wzorem, w którym temperatura wyrażona jest w stopniach Celsjusza. Przy temperaturze odniesienia równej 0 równanie na siłę termoelektryczną wyraźnie się upraszcza do postaci :

stąd dla n pomiarów otrzymujemy :

2. Badanie zjawiska krzepnięcia metalu.

2.1 Opis układu pomiarowego.

Zastosowano ten sam zestaw, co w poprzednim punkcie z tą różnicą, że probówkę z termoparą umieszczono w metalowym naczyniu z łatwo topliwym metalem.

2.2 Tabele pomiarów.

a) pomiar pierwszy :

t [s]	10	20	30	40	50	60	70	80
U [V]	3,956	3,925	3,894	3,855	3,820	3,794	3,765	3,730

t	90	100	110	120	130	140	150	160
U	3,698	3,665	6,635	3,600	3,575	3,545	3,522	3,490

t	170	180	190	200	210	220	230	240
U	3,461	3,434	3,413	3,385	3,360	3,338	3,314	3,288

t	250	260	270	280	290	300	310	320
U	3,265	3,240	3,218	3,196	3,174	3,151	3,130	3,108

t	330	340	350	360	370	380	390	400
U	3,087	3,066	3,046	3,028	3,012	2,990	2,974	2,960

t	410	420	430	440	450	460	470	480
U	2,940	2,928	2,914	2,890	2,886	2,873	2,857	2,845

t	490	500	510	520	530	540	550	560
U	2,830	2,815	2,805	2,795	2,790	2,789	2,787	2,787

t	570	580	590	600	610	620	630	640
U	2,788	2,789	2,790	2,790	2,790	2,791	2,792	2,794

t	650	660	670	680	690	700	710	720
U	2,796	2,797	2,799	2,801	2,804	2,808	2,812	2,816

t	730	740	750	760	770	780	790	800
U	2,820	2,824	2,828	2,830	2,836	2,840	2,845	2,846

t	810	820	830	840	850	860	870	880
U	2,849	2,852	2,855	2,857	2,858	2,860	2,861	2,861

t	890	900	910	920	930	940	950	960
U	2,860	2,861	2,861	2,860	2,858	2,855	2,854	2,853

t	970	980	990	1000	1010	1020	1030	1040
U	2,851	2,850	2,848	2,847	2,845	2,844	2,842	2,840

t	1050	1060	1070	1080	1090	1100	1110	1120
U	2,837	2,835	2,833	2,830	2,828	2,826	2,819	2,816

t	1130	1140	1150	1160	1170	1180	1190	1200
U	2,811	2,808	2,805	2,801	2,798	2,795	2,790	2,786

t	1210	1220	1230	1240	1250	1260	1270	1280
U	2,783	2,778	2,773	2,769	2,762	2,756	2,748	2,738

t	1290	1300	1310	1320	1330	1340	1350	1360
U	2,730	2,722	2,710	2,699	2,685	2,673	2,652	2,637

t	1370	1380	1390	1400	1410	1420	1430	1440
U	2,624	2,608	2,595	2,575	2,560	2,544	2,527	2,515

t	1450
U	2,500

b) pomiar drugi :

t [s]	0	20	40	60	80	100	120	140
U [V]	4,000	3,919	3,850	3,810	3,720	3,660	3,600	3,540

t	160	180	200	220	240	260	280	300
U	3,488	3,434	3,385	3,335	3,285	3,240	3,189	3,141

t	320	340	360	380	400	420	440	460
U	3,141	3,100	3,059	3,020	2,981	2,950	2,915	2,885

t	480	500	520	540	560	580	600	620
U	2,885	2,820	2,795	2,786	2,788	2,792	2,788	2,790

t	640	660	680	700	720	740	760	780
U	2,790	2,794	2,800	2,805	2,813	2,819	2,825	2,833

t	800	820	840	860	880	900	920	940
U	2,844	2,848	2,854	2,858	2,862	2,864	2,865	2,859

t	860	980	1000	1020	1040	1060	1080	1100
U	2,850	2,844	2,835	2,824	2,816	2,810	2,804	2,798

t	1120	1140	1160	1180	1200	1220	1240	1260
U	2,798	2,780	2,765	2,750	2,728	2,702	2,668	2,635

t	1280	1300	1320	1340
U	2,592	2,554	2,516	2,500

2.3 Wzory i obliczenia.

Przy wyznaczaniu temperatury krzepnięcia skorzystano z wyznaczonego w poprzednim punkcie współczynnika termoelektrycznego. Przy zaokrąglaniu wzięto pod uwagę błędy pomiarowe : błąd kwantyfikacji woltomierza i błąd bezwzględny termometru, odpowiednio : ΔU = 0,001 V i Δt = 1 °C.

Wyszukiwarka