POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
Instytut Fizyki |
Klaudiusz Szlosek
|
Wydział: Elektryczny Rok: Drugi Grupa: Rok akadem.: 96/97 |
||
|
LABORATORIUM FIZYKI |
|
||
Data ćwiczenia: 10.04.97
|
Temat: Skalowanie termopary |
Ocena: |
||
Nr ćwiczenia: 20
|
|
|
||
1. Wstęp teoretyczny:
Zjawisko termoelektryczne polega na powstawaniu siły elektromotorycznej między spojeniami dwóch różnych metali, jeżeli między tymi spojeniami występuje różnica temperatur. Zjawisko to wykorzystuje się do pomiaru temperatury.
Metal jest zbudowany z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną oraz elektronów swobodnych poruszających się między tymi jonami. Koncentracja swobodnych elektronów 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. Wskutek dyfuzji elektronów jeden z metali jeden naładuje się dodatnio a drugi ujemnie. Między metalami powstanie kontaktowa różnica potencjałów, która utrudnia dalszą dyfuzję elektronów. Ustala się więc stan równowagi dynamicznej, zależny od rodzaju stykających się metali oraz od temperatury styku.
Jeżeli temperatury styków będą się różnić między sobą, to napięcie kontaktowe także będą różne i w obwodzie popłynie prąd termoelektryczny.
Jeżeli w obwód termopary włączymy inne przewodniki, tak aby dodatkowe spojenia miały tę samą temperaturę, to siła termoelektryczna nie ulegnie zmianie. Siła termoelektryczna zależy od ilości i rodzaju domieszek oraz od obróbki mechanicznej metalu.
Przed przystąpieniem do pomiaru temperatury należy przeprowadzić skalowanie termopary polegające na doświadczalnym wyznaczeniu zależności siły termoelektrycznej od temperatury, co będzie celem naszego ćwiczenia.
2. Przydatne wzory:
gdzie: współczynnik termoelektryczny
napięcie kontaktowe
temperatury poszczególnych styków
3. Schemat pomiarowy:
4. Tabele pomiarowe:
skalowanie termopary:
ΔT |
U |
ΔU |
α |
T |
*T |
U |
*U |
* |
T |
*T |
U |
*U |
* |
°C |
mV |
mV |
mV/°C |
°C |
°C |
mV |
mV |
mV/°C |
°C |
°C |
mV |
mV |
mV/°C |
22 |
0,858 |
0,043 |
0,040 |
46 |
1 |
1,868 |
0,093 |
0,041 |
70 |
1 |
2,925 |
0,146 |
0,042 |
24 |
0,933 |
0,047 |
0,039 |
48 |
1 |
1,943 |
0,097 |
0,040 |
72 |
1 |
3,017 |
0,151 |
0,042 |
26 |
1,024 |
0,051 |
0,039 |
50 |
1 |
2,035 |
0,102 |
0,041 |
74 |
1 |
3,112 |
0,156 |
0,042 |
28 |
1,114 |
0,056 |
0,040 |
52 |
1 |
2,125 |
0,106 |
0,041 |
76 |
1 |
3,209 |
0,160 |
0,042 |
30 |
1,188 |
0,059 |
0,040 |
54 |
1 |
2,216 |
0,111 |
0,041 |
78 |
1 |
3,295 |
0,165 |
0,042 |
32 |
1,257 |
0,063 |
0,039 |
56 |
1 |
2,303 |
0,115 |
0,041 |
80 |
1 |
3,392 |
0,170 |
0,042 |
34 |
1,352 |
0,068 |
0,040 |
58 |
1 |
2,390 |
0,120 |
0,041 |
82 |
1 |
3,476 |
0,174 |
0,042 |
36 |
1,433 |
0,072 |
0,040 |
60 |
1 |
2,490 |
0,125 |
0,042 |
84 |
1 |
3,582 |
0,179 |
0,043 |
38 |
1,520 |
0,076 |
0,040 |
62 |
1 |
2,570 |
0,129 |
0,041 |
86 |
1 |
3,667 |
0,183 |
0,043 |
40 |
1,610 |
0,081 |
0,040 |
64 |
1 |
2,657 |
0,133 |
0,042 |
88 |
1 |
3,770 |
0,189 |
0,043 |
42 |
1,689 |
0,084 |
0,040 |
66 |
1 |
2,745 |
0,137 |
0,042 |
90 |
1 |
3,863 |
0,193 |
0,043 |
44 |
1,778 |
0,089 |
0,040 |
68 |
1 |
2,833 |
0,142 |
0,042 |
|
|
|
|
|
Wartość średnia współczynnika termoelektrycznego |
|
mV/°C |
|
0,041 |
b) wyznaczanie temperatury krzepnięcia metalu
t |
U |
*U |
temp. |
t |
U |
*U |
temp |
t |
U |
*U |
temp |
sek. |
mV |
mV |
°C |
sek. |
mV |
mV |
°C |
sek. |
mV |
mV |
°C |
0 |
4,040 |
0,202 |
95,0 |
800 |
2,678 |
0,134 |
64,0 |
1600 |
1,705 |
0,085 |
42,0 |
20 |
4,360 |
0,218 |
102,0 |
820 |
2,676 |
0,134 |
64,0 |
1620 |
1,690 |
0,085 |
42,0 |
40 |
4,764 |
0,238 |
111,0 |
840 |
2,668 |
0,133 |
64,0 |
1640 |
1,676 |
0,084 |
41,0 |
60 |
5,117 |
0,256 |
119,0 |
860 |
2,664 |
0,133 |
64,0 |
1660 |
1,665 |
0,083 |
41,0 |
80 |
5,175 |
0,259 |
121,0 |
880 |
2,656 |
0,133 |
64,0 |
1680 |
1,653 |
0,083 |
41,0 |
100 |
5,795 |
0,290 |
135,0 |
900 |
2,650 |
0,133 |
64,0 |
1700 |
1,638 |
0,082 |
40,0 |
120 |
5,398 |
0,270 |
126,0 |
920 |
2,642 |
0,132 |
63,0 |
1720 |
1,625 |
0,081 |
40,0 |
140 |
5,015 |
0,251 |
117,0 |
940 |
2,635 |
0,132 |
63,0 |
1740 |
1,612 |
0,081 |
40,0 |
160 |
4,683 |
0,234 |
110,0 |
960 |
2,628 |
0,131 |
63,0 |
1760 |
1,602 |
0,080 |
40,0 |
180 |
4,416 |
0,221 |
104,0 |
980 |
2,614 |
0,131 |
63,0 |
1780 |
1,595 |
0,080 |
40,0 |
200 |
4,187 |
0,209 |
98,0 |
1000 |
2,598 |
0,130 |
62,0 |
1800 |
1,584 |
0,079 |
39,0 |
220 |
4,005 |
0,200 |
94,0 |
1020 |
2,581 |
0,129 |
62,0 |
1820 |
1,573 |
0,079 |
39,0 |
240 |
3,838 |
0,192 |
90,0 |
1040 |
2,560 |
0,128 |
61,0 |
1840 |
1,562 |
0,078 |
39,0 |
260 |
3,682 |
0,184 |
87,0 |
1060 |
2,540 |
0,127 |
61,0 |
1860 |
1,552 |
0,078 |
39,0 |
280 |
3,560 |
0,178 |
84,0 |
1080 |
2,506 |
0,125 |
60,0 |
1880 |
1,542 |
0,077 |
38,0 |
300 |
3,438 |
0,172 |
81,0 |
1100 |
2,464 |
0,123 |
60,0 |
1900 |
1,535 |
0,077 |
38,0 |
320 |
3,321 |
0,166 |
79,0 |
1120 |
2,398 |
0,120 |
58,0 |
1920 |
1,526 |
0,076 |
38,0 |
340 |
3,213 |
0,161 |
76,0 |
1140 |
2,338 |
0,117 |
56,0 |
1940 |
1,515 |
0,076 |
38,0 |
360 |
3,118 |
0,156 |
74,0 |
1160 |
2,285 |
0,114 |
55,0 |
1960 |
1,508 |
0,075 |
38,0 |
380 |
3,027 |
0,151 |
72,0 |
1180 |
2,232 |
0,112 |
54,0 |
1980 |
1,501 |
0,075 |
37,0 |
400 |
2,951 |
0,148 |
70,0 |
1200 |
2,185 |
0,109 |
53,0 |
2000 |
1,493 |
0,075 |
37,0 |
420 |
2,876 |
0,144 |
69,0 |
1220 |
2,143 |
0,107 |
52,0 |
2020 |
1,486 |
0,074 |
37,0 |
440 |
2,800 |
0,140 |
67,0 |
1240 |
2,104 |
0,105 |
51,0 |
2040 |
1,477 |
0,074 |
37,0 |
460 |
2,737 |
0,137 |
65,0 |
1260 |
2,067 |
0,103 |
50,0 |
2060 |
1,470 |
0,074 |
37,0 |
480 |
2,676 |
0,134 |
64,0 |
1280 |
2,033 |
0,102 |
50,0 |
2080 |
1,463 |
0,073 |
37,0 |
500 |
2,636 |
0,132 |
63,0 |
1300 |
2,002 |
0,100 |
49,0 |
2100 |
1,458 |
0,073 |
36,0 |
520 |
2,612 |
0,131 |
63,0 |
1320 |
1,972 |
0,099 |
48,0 |
2120 |
1,451 |
0,073 |
36,0 |
540 |
2,609 |
0,130 |
63,0 |
1340 |
1,943 |
0,097 |
47,0 |
2140 |
1,445 |
0,072 |
36,0 |
560 |
2,620 |
0,131 |
63,0 |
1360 |
1,916 |
0,096 |
47,0 |
2160 |
1,437 |
0,072 |
36,0 |
580 |
2,638 |
0,132 |
63,0 |
1380 |
1,893 |
0,095 |
46,0 |
2180 |
1,430 |
0,072 |
36,0 |
600 |
2,662 |
0,133 |
64,0 |
1400 |
1,873 |
0,094 |
46,0 |
2200 |
1,426 |
0,071 |
36,0 |
620 |
2,680 |
0,134 |
64,0 |
1420 |
1,855 |
0,093 |
45,0 |
2220 |
1,422 |
0,071 |
36,0 |
640 |
2,690 |
0,135 |
64,0 |
1440 |
1,839 |
0,092 |
45,0 |
2240 |
1,417 |
0,071 |
36,0 |
660 |
2,697 |
0,135 |
65,0 |
1460 |
1,822 |
0,091 |
45,0 |
2260 |
1,411 |
0,071 |
35,0 |
680 |
2,697 |
0,135 |
65,0 |
1480 |
1,805 |
0,090 |
44,0 |
2280 |
1,404 |
0,070 |
35,0 |
700 |
2,698 |
0,135 |
65,0 |
1500 |
1,788 |
0,089 |
44,0 |
2300 |
1,399 |
0,070 |
35,0 |
720 |
2,696 |
0,135 |
65,0 |
1520 |
1,770 |
0,089 |
44,0 |
2320 |
1,394 |
0,070 |
35,0 |
740 |
2,691 |
0,135 |
64,0 |
1540 |
1,752 |
0,088 |
43,0 |
2340 |
1,390 |
0,070 |
35,0 |
760 |
2,682 |
0,134 |
64,0 |
1560 |
1,733 |
0,087 |
43,0 |
2360 |
1,386 |
0,069 |
35,0 |
780 |
2,679 |
0,134 |
64,0 |
1580 |
1,719 |
0,086 |
42,0 |
2380 |
1,381 |
0,069 |
34,0 |
5. Wykresy.
Uwagi i wnioski :
Celem naszego ćwiczenia było wyznaczenie współczynnika termoelektrycznego badanej termopary i na podstawie wykreślonej charakterystyki określenie temperatury krzepnięcia metalu. Metalem tym prawdopodobnie była cyna,
co można stwierdzić po charakterystycznej szarej barwie, niskiej temperaturze topnienia i równie niskiej temperaturze krzepnięcia tego metalu (około 64 °C). Na charakterystyce U=*(t) początkowy duży narost wartości napięcia termoelektrycznego spowodowany jest procesem osiągania przez termoparę temperatury metalu. Dalej następuje spadek wartości napięcia wywołany ochładzaniem się metalu. Przy wartości 65-63 °C , co odpowiada napięciu 2.67 mV wykres przebiega prawie poziomo, to znaczy, że rozpoczął się proces krzepnięcia metalu. Dalsza część wykresu przedstawia ochładzanie się metalu do temperatury otoczenia.
Podczas skalowania termopary temperaturą odniesienia było 0 °C , którą uzyskaliśmy przez zmieszanie lodu z wodą.