Laboratorium Podstaw Fizyki

Wykonawca: Data:

Marcin Sachs 20.11.2010

173847 Sobota 7:30

Nr ćwiczenia: 20

Temat ćwiczenia: Skalowanie termopary i wyznaczanie temperatury krzepnięcia stopu

Zatwierdzam wyniki pomiarów.

Data i podpis prowadzącego zajęcia ............................................................

Adnotacje dotyczące wymaganych poprawek oraz daty otrzymania

poprawionego sprawozdania

1. Wstęp

Celem ćwiczenia jest poznanie zjawisk termoelektrycznych oraz przykładów ich zastosowań, a w szczególności zapoznanie się z budową, zasadą działania i pomiarem temperatury za pomocą termopary oraz wyznaczenie temperatury krzepnięcia stopu.

Rozróżnia się następujące zjawiska termoelektryczne:

- zjawisko Seebecka - powstanie siły termoelektrycznej w zamkniętym obwodzie składającym się z dwóch różnych metali, o ile miejsca styku tych metali znajdują się w różnych temperaturach,

- zjawisko Peltiera - gdy prąd elektryczny przepływa, przez miejsce złączenia dwóch różnych

metali, to zależnie od kierunku przepływu złącze to nagrzewa się lub oziębia (poza wydzielającym się oczywiście w każdym przewodzie ciepłem Joule'a),

- zjawisko Thomsona - to zjawisko nagrzewania lub oziębiania pod wpływem przepływu prądu występujące również w jednorodnym przewodniku, którego końce znajdują się w różnych temperaturach; jest zależne od rodzaju metalu i od kierunku przepływu prądu.

Zjawiska Peltiera i Thomsona dotyczą jedynie wydzielania się lub pochłaniania ciepła i nie powodują generowania sił termoelektrycznych. Są to, więc zjawiska dotyczące jedynie efektów cieplnych towarzyszących przepływowi prądu elektrycznego. W praktyce prądy płynące w obwodzie termoelektrycznym są tak małe, że zjawiska Peltier i Thomsona mogą być pominięte. Ze wszystkich zjawisk termoelektrycznych jedynie zjawisko Seebecka jest źródłem powstawania siły termoelektrycznej. Wynika ona z nierównomiernego rozkładu elektronów w przewodzie o zróżnicowanej na długości temperaturze.

Wielkością fizyczną wykorzystywaną do pomiaru temperatury jest siła termoelektryczna. Stykając ze sobą powierzchnie dwóch różnych metali występuje kontaktowa różnica potencjałów uwarunkowanej różnymi wartościami energii Fermiego dla metali. Termopara jest najprostszą odmianą termometru termoelektrycznego, w której wykorzystuje się zależność kontaktowej różnicy potencjałów od temperatury. Przy posługiwaniu się termoparami sporządza się dwa spojenia odniesienia, z których jedno utrzymuje się w stałej temperaturze, drugie spojenie jest w kontakcie cieplnym z miejscem, którego temperaturę wyznaczamy. Wielkością fizyczną wykorzystywaną do wyznaczania temperatury jest siła termoelektryczna (SEM).

Na początku ćwiczenia przeprowadziliśmy skalowanie termopary wyznaczając zależność siły termoelektrycznej, napięcia od temperatury gorącego spojenia, gdy spojenie zimne znajduje się w temperaturze 0^oC. Następnie wyznaczymy temperaturę krzepnięcia stopu. W tym celu wyznaczymy zależność siły termoelektrycznej termopary od czasu.

Schemat pomiaru temperatury za pomocą termopary.

3. Opracowanie wyników

Skalowanie termopary.

t [^oC]	U [mV]	t [^oC]	U [mV]
0	0,002	54	2,331
22	0,840	56	2,388
24	0,975	58	2,482
26	1,075	60	2,537
28	1,140	62	2,615
30	1,223	64	2,695
32	1,317	66	2,770
34	1,453	68	2,874
36	1,561	70	2,952
38	1,660	72	3,052
40	1,718	74	3,133
42	1,805	76	3,199
44	1,905	78	3,298
46	1,993	80	3,374
48	2,105	82	3,450
50	2,184	84	3,532
52	2,252	86	3,596

Przy temperaturze odniesienia równej 0 równanie na siłę termoelektryczną upraszcza się do postaci:

Współczynnik termoelektryczny wynosi:

Badanie zjawiska krzepnięcia metalu.

Tabela pomiarów:

t[sek]	u[mV]	t[sek]	u[mV]
00	4,224	520	2,456
20	4,233	540	2,449
40	3,930	560	2,438
60	3,631	580	2,432
80	3,407	600	2,430
100	3,228	620	2,427
120	3,080	640	2,424
140	2,950	660	2,423
160	2,848	680	2,419
180	2,756	700	2,414
200	2,683	720	2,405
220	2,624	740	2,396
240	2,581	760	2,387
260	2,546	780	2,376
280	2,515	800	2,361
300	2,490	820	2,345
320	2,475	840	2,322
340	2,466	860	2,290
360	2,464	880	2,245
380	2,464	900	2,202
400	2,464	920	2,161
420	2,464	940	2,122
440	2,462	960	2,088
460	2,466	980	2,055
480	2,465	1000	2,028
500	2,461	1020	1,981

4. Obliczanie wyników końcowych i szacowanie niepewności

Temperatura krzepnięcia:

Aproksymacja:

-

Po obliczeniu otrzymaliśmy:

n = 33;

∑ x_k = 1782,0;

∑ y_k = 75,486

∑ x_k² = 108196,0;

(∑ x_k)² = 3175524,0;

∑ x_ky_k = 4582,63;

a=0,042318

b=0,0021656

y = 0,042318 x + 0,0021656

Odchylenie standardowe:

Błąd względny dla temperatur:

Błąd względny dla woltomierza:

5. Wynik końcowy

±0.17%

6. Wnioski

Pomiary prowadzone podczas ćwiczenia obarczone były szeregiem błędów. Największą rolę ma błąd termometru. Można zauważyć, że błąd ten jest większy na początku skali.

Temperatura krzepnięcia stopu wynosi 59^oC co wskazuje, że mieliśmy do czynienia z metalem łatwo topliwym.

Dla pewności uzyskanych wyników obliczenia wykonano korzystając z regresji liniowej i stwierdzono równoznaczne wyniki z otrzymanymi.

---