POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

LABORATORIUM Z FIZYKI

Ćwiczenie nr: 8

TEMAT:Cechowanie termoelementu (termopary) żelazo-molibden

i wyznaczenie punktu inwersji.

KUTROWSKI PIOTR

WYDZ. ELEKTRYCZNY

GRUPA III

SEMESTR II

I. Zagadnienia teoretyczne.

Zjawisko Peltiera.

Między punktami leżącymi blisko powierzchni bezpośredniego spojenia dwóch różnych metali, będących w równowadze elektrostatycznej powstaje napięcie elektryczne. Jest to tzw. napięcie galwaniczne, a wartość jego zależy od rodzaju stykających się metali. W związku z istnieniem różnicy potencjałów na łączu dwóch metali procesowi przeniesienia ładunku przez styk metali towarzyszy dodatkowa wymiana ciepła. Styk ogrzewa się lub ochładza. Jest to tzw. zjawisko Peltiera. Ciepło Peltiera jest proporcjonalne do przepływającego ładunku i zależy od rodzaju materiału.

*Q=* It

gdzie * jest to współczynnik Peltiera wyrażony w woltach. Wartość współczynnika jest niezależna od pola powierzchni spojenia oraz od natężenia prądu I=q/t płynącego przez spojenie natomiast zależy od rodzaju metali stykających się i od ich temperatury.

Zjawisko Thomsona.

Różnica potencjału styku może występować również między stykami tego samego metalu (będącego w równowadze elektrostatycznej), mającymi różne temperatury. Obszary jednorodnego chemicznie pręta metalowego, mające różne temperatury, posiadają odmienne właściwości fizyczne i mogą być traktowane jako dwa oddzielne metale. Tak więc styki rozważanego przewodnika mają inny potencjał, wówczas przepuszczając przez przewodnik prąd o natężeniu I przez czas t otrzymuje się lub należy dostarczyć pracę równą Vit. Również tej przemianie energetycznej towarzyszy wymiana ciepła proporcjonalna do I; jeżeli przy danym kierunku prądu ciepło jest wydzielane po zmianie kierunku prądu ciepło jest pochłaniane przez przewodnik. Proces ten nosi nazwę zjawiska Thomsona.

Zjawisko jest dodatnie kiedy wydzielanie ciepła towarzyszy przepływowi prądu elektrycznego od końca przewodnika mającego temperaturę wyższą do końca o temperaturze niższej, natomiast gdy ciepło jest wydzielane przy przepływie prądu z chłodniejszego końca przewodnika do cieplejszego, zjawisko jest ujemne. Znak zjawiska zależy od rodzaju przewodnika (np. miedź +, żelazo -).

W obwodzie utworzonym z jednorodnego chemicznie przewodnika, którego poszczególne punkty mają różne temperatury suma sił termoelektrycznych równa jest zeru.

Wartość rozważanej siły termoelektrycznej wynosi:

d*=* d*

*-współczynnik Thomsona

d*- różnica temperatur

Zjawisko Seebecka

Zwane jest często zjawiskiem termoelektrycznym, polega na powstawaniu tzw. siły termoelektrycznej w zamkniętym obwodzie elektrycznym złożonym z różnych przewodników, jeśli miejsca styków posiadają różne temperatury.

Na przykład obwód zamknięty złożony jest z różnych przewodników metalowych A i B, których spojenia mają różne temperatury *₁ i *₂. W obwodzie tym płynie prąd o natężeniu I. Oznaczmy przez *₁ i *₂ siły elektromotoryczne Peltiera w spojeniach A, B odpowiadające temperaturom *₁

i *₂, oznaczmy poza tym przez *_A i *_B współczynniki Thomsona dla metali A i B. Całkowita siła elektromotoryczna obwodu będzie równa :

dla małych różnic temperatur

Opisany układ posiada takie własności, jak gdyby zawierał źródło całkowitej siły termoelektrycznej, sam zaś układ nazywa się termoelementem, termoogniwem lub termoparą.

Niektóre termopary mają tę własność, że wykres ich całkowitej siły termoelektrycznej przedstawia krzywą zbliżoną do paraboli. Na wykresie możemy wyróżnić następujące punkty:

- punkt obojętny (kiedy wartość E wzrasta początkowo wraz, ze wzrostem temperatury osiągając maksimum w temperaturze *₀ )

- punkt inwersji (kiedy wartość E maleje osiągając wartość zero dla temperatury *_i )

Istnieje kilka możliwych sposobów badania termoogniw. Różnią się one sposobem pomiaru siły termoelektrycznej oraz sposobem wyboru wzorcowych termopar. Pomiary siły termoelektrycznej możemy wykonać dokładnie jedynie za pomocą kompensatora prądu stałego.

Aparatura do wzorcowania względnego składa się z termoogniwa wzorcowego, termoogniwa badanego, piecyka, w którym uzyskujemy podwyższoną temperaturę, kąpieli o stałej temperaturze (woda z lodem) oraz miliwoltomierza lub kompensatora. Przewody termoogniw są izolowane elektrycznie. Końce gorące znajdują się w cienkich rurkach ceramicznych, a same spojenia gorące obydwu termoogniw znajdują się w bezpośrednim sąsiedztwie, dzięki czemu możemy przyjąć, że w piecu elektrycznym posiadają one taką samą temperaturę. Złącza zimne są również izolowane elektrycznie. Obydwa termoogniwa muszą być od siebie odizolowane, mogą posiadać kontakt elektryczny tylko w jednym punkcie. Z tego powodu zimne złącza nie powinny znajdować się w tej samej kąpieli. W praktyce końcówki są odizolowane od kąpieli rurką ceramiczną lub szklaną, zatopioną na końcu. W doświadczeniu odczytujemy napięcie termoelektryczne albo wprost na miliwoltomierzu, albo za pomocą kompensatora.

W przypadku pomiarów względnych obydwa termoogniwa podłączamy do dwóch wyjść kompensatora. Ich złącza umieszczamy odpowiednio w kąpieli chłodzącej (woda z lodem) oraz w piecyku elektrycznym. Przygotowujemy do pracy miliwoltomierz, włączamy piecyk i w możliwie krótkim odstępie czasu mierzymy siłę termoelektryczną obydwu ogniw. Następnie zwiększając temperaturę powtarzamy pomiary.

Efekt Seebecka można wykorzystać do zbudowania generatora termoelektrycznego, w którym to liczne termoelementy są połączone szeregowo w celu uzyskania większej różnicy potencjałów elektrycznych.

Efekt Peltiera można wykorzystać do zbudowania ziębiarki termoelektrycznej. Również w tym przypadku termoelementy są połączone szeregowo.

II. Tabela Pomiarowa.

Lp.	t [ *C ]	V [ mV ]
1	42	0.16
2	50	0.35
3	60	0.44
4	70	0.51
5	80	0.57
6	90	0.61
7	100	0.65
8	110	0.67
9	120	0.70
10	130	0.71
11	140	0.72
12	150	0.71
13	160	0.70
14	170	0.68
15	180	0.65
16	190	0.62
17	200	0.58
18	210	0.53
19	220	0.46
20	230	0.38
21	240	0.30
22	250	0.19
23	260	0.06
24	270	-0.06
25	280	-0.24

Wykres zależności V_t=f(t)

Wykres zależności V_t=f(t)

• Przedział stosowalności tej termopary jako miernika temperatury.

Przeprowadzając prostą przez początek układu współrzędnych oraz możliwie największą ilość punktów w granicy przyjętych błędów można odczytać z wykresu temperaturę maksymalną, do której wzrost temperatury oraz napięcia termopary następowały proporcjonalnie.

Z wykresu winika, że termoparę tą można stosować jako miernik temperatury do 80 *C * 2*C.

Odczyt wartości z wykresu przprowadziłem z dokładnością do * 2*C dla osi X i * 25*V dla osi Y.

Błędy te wiążą się z dokładnością podziałki układu współrzędnych. Odczytana z wykresu temperatura punktu obojętnego (neutralnego) wynosi t₀=140*C * 2*C, a odpowiadające jej napięcie (V_t)_max=0.72 mV * 25*V.

Punkt przecięcia się wykresu z osią X tworzy punkt inwersji a jego parametry w moim przypadku są następujące: t_i=265 *C * 2 *C, napięcie oczywiście 0 mV.

---