Laboratorium z fizyki

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 24

Temat: ”Cechowanie termopary i wyznaczanie temperatury krzepnięcia metalu”

Wykonał:

Andrzej Kotwica

I Elektronika

Grupa laboratoryjna nr III

I Cel ćwiczenia

- poznanie fizycznych podstaw zjawiska termoelektrycznego

- zapoznanie z techniką pomiaru temperatury za pomocą termopary

II Część teoretyczna

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. Zastosowanie termopar umożliwia zdalny pomiar temperatury, rejestrację zmian temperatury oraz pomiar temperatury bardzo małych obiektów.

ZJAWISKO TERMOELEKTRYCZNE

Jeżeli temperatury styków dwóch metali różnią się między sobą to w obwodzie zamkniętym składającym się z tych metali płynie prąd. W celu wyjaśnienia tego zjawiska należy odwołać się do elektronowej budowy metali. Metal zbudowany jest z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną oraz elektronów swobodnych poruszających się między tymi jonami. Koncentracja elektronów swobodnych zależy od temperatury i jest różna w różnych metalach. W miejscu styku następuje dyfuzja elektronów z metalu o większej koncentracji elektronów swobodnych do metalu o mniejszej koncentracji, w skutek czego jeden z metali naładuje się dodatnio a drugi ujemnie ( kontaktowa różnica potencjałów). Ustala się stan równowagi dynamicznej. Jeżeli temperatury styków są jednakowe to w obwodzie prąd nie płynie. Jeżeli temperatury styków są różne

T₁ różne od T₂ to napięcie kontaktowe U_AB <> U_BA i w obwodzie płynie prąd termoelektryczny. Siłę elektromotoryczną powodującą przepływ tego prądu nazywamy siłą termoelektryczną, która zależy od rodzaju stykających się metali oraz od różnicy temperatur spojeń.

Pomiar temperatury za pomocą termopary

W praktyce do pomiaru siły termoelektrycznej musimy stosować jakiś miernik, którego przewody doprowadzające oraz sam ustrój pomiarowy mogą być wykonane z innych metali niż termopara. Jeżeli w obwód termopary włączymy inne przewodniki, tak aby dodatkowe spojenia miały tę samą temperaturę, to siła termoelektryczna nie ulegnie zmianie ( prawo trzeciego metalu)

Termopary najczęściej wykonuje się z :

- miedzi i konstantanu ( 40% Ni i 60%Cu ) - zakres pomiarowy do 800K

- platyny i platynorodu ( 90% Pt i 10% Rh ) - zakres pomiarowy do 1300K

- irydu i stopu irydu z rodem - zakres pomiarowy do 2300K

Przy pomiarze temperatury za pomocą termopary zwykle jako temperaturę odniesienia przyjmuje się temperaturę 273K, którą uzyskujemy wykorzystując mieszaninę wody z lodem umieszczoną w termosie zabezpieczającym ją przed poborem ciepła z otoczeni. Schemat pomiaru temperatury za pomocą termopary przedstawia poniższy rysunek.

mieszanina wody z lodem

pojemnik o zmiennej temperaturze

OPIS ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNEGO NA GRUNCZIE ELEKTRONOWEJ TEORII METALI

W teorii tej przyjmuje się, że elektrony swobodne poruszają się w jamie potencjału i mogą przyjmować tylko dyskretne wartości energii. Ponadto musi być spełniona zasada Pauliego - każdy stan energetyczny może być obsasdzony tylko przez dwa elektrony o przeciwnych spinach ( wszystkie stany poniżej pewnego poziomu są całkowicie obsadzone przez elektrony, a wszystkie powyżej tego poziomu są puste). Poziom ten nazywa się poziomem ( energią ) Fermiego i jesy dany wyrażeniem:

gdzie h - stała Plancka

m- masa elektronu

N - liczba elektronów

V - objętość

W temperaturze wyższej niż 0 K część elektronów zajmuje stany powyżej energii Fermiego, przez co część stanów o energii mniejszej nie jest zapełniona. Energia Fermiego w tym przypadku określa poziom, którego prawdopodobieństwo obsadzenia elektronami wynosi 0,5. Poziom ten zmienia się z temperaturą .

Jeżeli wykonamy złącze z dwóch metali A i B ( takie jak na rysunku ), to powstanie kontaktowa różnica potencjałów Galvaniego.

gdzie e - ładunek elektronu

- energia Fermiego dla metalu A

- energia Fermiego dla metalu B

Po podstawieniu wyrażenia na energię Fermiego dla metali A i B do powyższego równania okazuje się, że kontaktowa różnica potencjałów zależy od temperatury i od różnicy koncentracji elektronów w metalach A i B

Jeżeli utworzymy obwód zamknięty zbudowany z metalu A o większej koncentracji elektronów swobodnych i metalu B o mniejszej wywołamy różnicę temperatur między spojeniami i w obwodzie powstanie siła termoelektryczna

Dla niezbyt dużych różnic temperatur między spojeniami możemy przyjąć liniową zależność siły termoelektrycznej od tej różnicy.

III Część praktyczna

Przed przystąpieniem do pomiaru pomiaru temperatury należy przeprowadzić skalowanie termopary. Polega ono na doświadczalnym wyznaczeniu zależności siły termoelektrycznej od temperatury. W tym celu umieściliśmy jedno ze spojeń termopary w mieszaninie wody z lodem, drugie zaś w pojemniku 2, w którym kontrolowaliśmy zmianę temperatury. Z uzyskanych pomiarów sporządziliśmy wykres cechowania termopary.

Lp	T	U
	°C	[mV]
1	20	1.5
2	22	1.55
3	22.5	1.6
4	23	1.8
5	23.5	1.9
6	24	2
7	26	2.2
8	27.5	2.4
9	30	2.6
10	32.5	2.8
11	36.5	3.2
12	41.5	3.6
13	45.8	4
14	50.5	4.4
15	54.5	4.8
16	58.5	5.2
17	65	5.6
18	72.5	6
19	74	6.3
20	75	6.6

Wykres cechowania termopary

Z wykresu sporządzonego przez rejestrator odczytaliśmy napięcie, przy którym zachodził proces krzepnięcia badanego materiału.

Napięcie to wynosiło : 5,4mV

Z wykresu odczytaliśmy temperaturę odpowiadającą temu napięciu, i wynosiła ona :

IV Wnioski :

W ćwiczeniu zajęliśmy się badaniem właściwości cieplnych ciał stałych. Do naszych pomiarów wykorzystaliśmy termopary. Termopara jest to złącze dwóch metali, na której przy odpowiednich warunkach powstaje różnica temperatur. Tym warunkiem jest różnica temperatur na złączu obu metali. Zjawisko to można wytłumaczyć bazując na tzw. poziomach Fermiego. Naszym celem było sporządzenie wykresu cechowania termopary, i na tej podstawie wyznaczenie temperatury krzepnięcia metalu. Charakterystyka cechowania termopary wyszła liniowa. Wraz ze wzrostem temperatury napięcie na złączu termopary wzrastało. Kolejnym etapem ćwiczenia było sporządzenie wykresu przez rejestrator. Badaną substancję wyjęliśmy na zewnątrz i następował powolny spadek temperatury. Na otrzymanym wykresie można było zauważyć w pewnym momencie ustabilizowanie się napięcia termopary pomimo zmniejszania temperatury. Temperatura dla tego przedziału była temperaturą krzepnięcia, którą wyznaczyliśmy za pomocą wcześniej sporządzonego wykresu cechowania termopary. Na błąd pomiaru wpływały głównie klasy przyrządów. Temperaturę mogliśmy wyznaczać z dokładnością do . Natomiast dokładność wyznaczenia temperatury krzepnięcia zależała od dokładności sporządzenia cechowania termopary. Dodatkowo na dokładność pomiarów wpłynęły pewne zniekształcenia (skoki) na wykresie sporządzonym przez rejestrator. Jednak nie wpłynęły one znacząco. Napięcie na tym wykresie mogliśmy odczytywać z dokładnością do 0,1mV. Była to dokładność całkiem zadowalająca.

---