Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było poznanie zjawisk termoelektrycznych oraz ich zastosowań, a w szczególności budowę i zasadę działania termopary i sposób wykonywania pomiarów temperatury przy jej pomocy. Należało też wyznaczyć temperaturę krzepnięcia stopu.

Wprowadzenie:

Termoparą nazywamy obwód zbudowany z dwóch różnych metali lub półprzewodników. Zasada działania termopary opiera się na wykorzystaniu zjawiska termoelektrycznego czy napięcia kontaktowego Galvaniego lub zjawiska Thomsona. Zjawisko to polega na powstawaniu siły termoelektrycznej między spojeniami dwóch różnych metali, jeżeli są one umieszczone w dwóch różnych temperaturach. Wartość indukowanej siły termoelektrycznej zależy przede wszystkim od różnicy temperatur w jakich znajdują się złącza ale wpływ na nią ma też koncentracja swobodnych nośników w każdym z metali jak i wartość pracy wyjścia tych materiałów.

gdzie:

e - ładunek elektronu,

- energia Fermiego dla metalu A

- energia Fermiego dla metalu B.

Wytwarzająca się w punkcie styku różnica potencjału nazywana jest kontaktowym napięciem Galvaniego. Na wartość mierzonej siły wpływ mają też wytwarzane w przewodniku siły termoelektryczne Thomsona. W naszym przypadku wystarczy założyć że powstająca siła termoelektryczna w termoparze jest proporcjonalna do różnicy temperatury. 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.

Rysunek:

Schemat

termopary.

Termopary wykorzystuje się do budowy precyzyjnych mierników temperatury o dużym zakresie pomiarowym, małej bezwładności cieplnej i dość dużej dokładności.

Termoparę wykorzystaliśmy także do pomiaru temperatury krzepnięcia stopu. Krzepnięcie ciała jest jedną z przemian fazowych pierwszego rodzaju podczas której zachodzą w strukturze materiału istotne zmiany. Wydziela się wówczas tzw. ciepło utajnione ,następuje zmiana objętości itp. Objawia się to m.in. tym, że ciało pomimo wydzielania ciepła nie zmienia temperatury. Badając zależność zmiany temperatury danego ciała w funkcji czasu możemy dowiedzieć się wielu rzeczy jak: zaobserwować plateau temperatury krzepnięcia czy oszacować wielkość ciepła krzepnięcia danego materiału.

Układ pomiarowy:

Pomiar temperatury termoparą polega na wyznaczeniu zależności między siłą termoelektryczną a różnicą temperatur. W tym celu należy termoparę wyskalować. Skalowanie polega na wyznaczeniu siły termoelektrycznej powstającej na zaciskach termopary w sytuacji gdy jedno ze złączy znajduje się w temperaturze odniesienia (najczęściej 0⁰C) a temperatura drugiego złącza zmienia się przy czym jego temperaturę badamy jednocześnie za pomocą termometrów. Po wyskalowaniu termopary czyli wykreśleniu zależności siły termoelektrycznej od różnicy temperatur mogliśmy dokonać pomiaru temperatury krzepnięcia stopu. W naczyniu ze stopionym stopem umieszczamy jedno ze złączy termopary podczas gdy drugie jest umieszczone w temperaturze odniesienia. W ustalonych odcinkach czasu (co 20s) dokonujemy pomiaru siły termoelektrycznej powstałej na zaciskach termopary.

Rysunek: Schemat pomiarowy.

1) woltomierz, 3c) tygiel,

2) kuchenka elektryczna, 4) mieszadło,

3a) naczynie z woda, 5) termometr,

3b) naczynie z lodem i wodą,

Wyniki pomiarów:

Tabela: Wyniki pomiaru skalowania termopary.

Temperatura	Siła termoelektryczna	Temperatura	Siła termoelektryczna
[^0C]	[mv]	[^0C]	[mv]
21,2	0,796	56,2	2,294
22,5	0,850	58,2	2,381
24,5	0,936	60,3	2,470
26,5	1,015	62,2	2,562
28,5	1,103	64,3	2,649
30,5	1,185	66,4	2,739
32,5	1,261	68,4	2,834
34,5	1,344	70,4	2,919
36,5	1,431	72,2	3,007
38,5	1,517	74,4	3,100
40,5	1,599	76,4	3,195
42,5	1,692	78,4	3,288
44,5	1,774	80,4	3,377
46,5	1,863	82,3	3,471
48,5	1,953	84,3	3,570
50,4	2,040	86,4	3,664
52,4	2,124	88,4	3,760
54,3	2,207	90,0	3,851

Tabela: Wynik pomiaru procesu krzepnięcia stopu.

Czas	Siła termoelektryczna	Czas	Siła termoelektryczna
[s]	[mV]	[s]	[mV]
200	4,464	720	2,566
220	4,342	740	2,570
240	4,181	760	2,572
260	3,988	780	2,573
280	3,803	800	2,571
300	3,630	820	2,569
320	3,484	840	2,567
340	3,357	860	2,571
360	3,255	880	2,571
380	3,165	900	2,560
400	3,088	920	2,546
420	2,999	940	2,535
440	2,918	960	2,524
460	2,841	980	2,509
480	2,774	1000	2,488
500	2,711	1020	2,465
520	2,660	1040	2,430
540	2,619	1060	2,389
560	2,597	1080	2,342
580	2,584	1100	2,291
600	2,572	1120	2,244
620	2,567	1140	2,202
640	2,566	1160	2,163
660	2,566	1180	2,124
680	2,566	1200	2,085
700	2,568	1220	2,046

Wnioski i dyskusja błędów:

Podczas ćwiczenia posłużyliśmy 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 :

Przy wyznaczaniu temperatury krzepnięcia skorzystaliśmy z wyznaczonego wcześniej współczynnika termoelektrycznego. Przy zaokrąglaniu wzięliśmy pod uwagę błędy pomiarowe : błąd woltomierza i błąd bezwzględny termometru, odpowiednio : ΔU = 0,001 mV i Δt = 1 °C.

Pomiary wykonane podczas ćwiczenia obarczone były szeregiem błędów. Występowały błędy wynikające z zastosowanych przyrządów : ΔU = 0,001 mV i Δt = 0,5 °C. Łatwo można dostrzec większą rolę błędu bezwzględnego termometru.

Dla woltomierza :

Otrzymane wyniki przekonują o tym, że błędy woltomierza są do zaniedbania przy błędach termometru . Obserwując zmiany błędu względnego dostrzegamy, że przyjmuje on największą wielkość przy początku skali. a najmniejszą na końcu. Na otrzymanym wykresie dostrzegamy rzeczywiście odkształcenia krzywej mogące być skutkiem dużego poziomu błędu względnego na początku zakresu pomiarowego.

Charakter zjawiska krzepnięcia metalu mogliśmy zauważyć mając do dyspozycji wykres zależności napięcia termoelektrycznego od czasu. Po zapoczątkowaniu procesu krystalizacji metal zaczął oddawać ciepło do otoczenia, a jego temperatura nie malała. Plateau na wykresie pokazuje temperaturę krzepnięcia dla badanego metalu. Uzyskana temperatura ( 62.6 ° C ) wskazuje, że mieliśmy do czynienia z metalem łatwo topliwym(cyna lub jej stop z ołowiem).

1

1

---