Jakub Sito dr J. Girulska

II rok fizyki

czwartek 15:30

Ćwiczenie nr 48

POMIAR TEMPERATURY METODAMI ELEKTRYCZNYMI

Tabela Pomiarowa 1	Tabela pomiarowa 2
( dla temperatur rosnących )	( dla temperatur malejących )

E1 [mV]	E2 [mV]	R [Ω]	T [°C]		E1 [mV]	E2 [mV]	R [Ω]	T [°C]

I Zagadnienia teoretyczne.

Podczas przepływu prądu w metalach nośnikami ładunku elektrycznego są swobodne elektrony. Pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego ruch ładunków przebiega zgodnie z prawem Ohma, według którego gęstość prądu j w dowolnym miejscu przewodnika jest proporcjonalna do natężenia E:

Związek jest doświadczalnie sprawdzony przez poziomy natężenia I i napięcia U w obrębie przewodnika jednorodnego (U = const.) o określonym kształcie i wymiarach. Dla opornika liniowego o długości l i przekroju poprzecznym s uzyskuje się zależność:

Rozpatrując przewodność elektryczną metali jako wynik ukierunkowanego ruchu zbioru elektronów swobodnych otrzymuje się wyrażenie na przewodność właściwą:

e - ładunek elektronu m - masa elektronu n - liczba elektronów w jednostce objętości l - średnia droga sobodna przebywana przez elektrony pomiędzy kolejnymi zderzeniami z atomami sieci przestrzennej metalu v - prędkość elektronu

Liczba swobodnych elektronów w metalu jest tego samego rzędu co liczba atomów i nie zależy praktycznie od temperatury. Obserwowana zależność przewodności od temperatury jest uwarunkowana skróceniem drogi swobodnej elektronów na skutek drgań cieplnych atomów metalu. Oprócz drgań cieplnych drugim czynnikiem zmniejszającym przewodność metalu są różnorodne zakłócenia w prawidłowej budowie sieci krystalicznej.

Wszelkie zakłócenia spowodowane zawartością obcych atomów lub obróbką mechaniczną zmniejszają przewodność metalu. Wpływ tych czynników jest w dużej mierze niezależny od temperatury dzięki czemu można go odróżnić od wpływu drgań cieplnych sieci. Dla czystych metali w szerokim zakresie temperatur oporność zmienia się proporcjonalnie do zmian temperatury.

R_t - oporność w temperaturze t

R₀ - oporność w temperaturze 0^o C

α₀ - współczynnik temperaturowy oporności w przedziale temperatur (0-t)^oC

Współczynnik temperaturowy metali czystych jest zawsze dodatni, tzn. że oporność rośnie wraz z temperaturą. Współczynnik temperatury α metali o małym oporze właściwym jest duży. Natomiast materiały stopowe o dużym oporze właściwym mogą mieć mały współczynnik temperaturowy, czasem nawet ujemny.

Termoparą czyli termoogniwo stanowią dwa kawałki drutu albo prętów z różnych metali złączone ze sobą na końcach. Jeżeli te końce znajdują się w różnych temperaturach t₁ i t₂, to w obwodzie zaczyna płynąć prąd elektryczny. Kierunek prądu zależy od tego, które ze spojeń ma wyższą temperaturę.

Jeżeli zetknięte zostaną ze sobą dwa różne metale to dzięki różnicy stężeń elektronów następuje zjawisko ich dyfuzji, elektrony z jednego metalu przechodzą w miejsce zaistniałego kontaktu do metalu drugiego, wskutek czego jeden z nich wykazuje naelektryzowanie ujemne, drugi - dodatnie. Między metalami powstaje tzw. napięcie kontaktowe, które przeciwstawia się dalszej dyfuzji elektronów. W następstwie tego między różnicą ciśnień gazu elektronowego obu metali a napięciem kontaktowym ustala się tzw. stan równowagi dynamicznej. W przypadku gdy oba spojenia metali mają tę samą temperaturę wypadkowa różnica napięć jest równa zeru. Jeśli jednak jedno ze spojeń zostaje ogrzane to różnica potencjałów kontaktowych wzrośnie proporcjonalnioe do temperatury. Kompensacja tej różnicy potencjałów drugiego chłodniejszego spojenia zostanie naruszona, w wyniku tego w obwodzie pojawi się siła termoelektryczna E_t równa różnicy potencjałów kontaktowych obu spojeń, a więc proporcjonalna do różnicy temperatur obu spojeń.

E_t = a(t₂-t₁)

a - współczynnik proporcjonalności, zależy od tego jakie pary metali tworzą dany kontakt

Para metali o różnej temperaturze spojeń staje się żródłem prądu, która wytwarza napięcie między biegunami otrzymanego ogniwa.

Okazuje się, że powyższe równanie wyraża siłę elektromotoryczną tylko w sposób przybliżony słuszny dla niewielkiego zakresu temperatur.

Zależność E_t od temperatury spojeń bardziej zgodną z dośw. podaje prawo Avenariusa:

α i t_m - stałe charakterystyczne dla danej pary metali

Prawo Avenariusa wyraża paraboliczną zależność E_t od temperatury spojeń i może być przedstawiona graficznie:

3

3

---