I Pracownia Zakładu Fizyki PL |
|||||
Kidaj Andrzej |
grupa ED 3.1 |
||||
data: 06.01.1998 |
nr ćwicz.: 11.1 |
Cechowanie termoogniwa i pomiar temperatury topnienia ciał krystalicznych. |
|||
Zaliczenie: |
Ocena: |
Data: |
Podpis: |
||
WIADOMOŚCI WSTĘPNE:
Ogniwo termoelektryczne stanowi układ różnych przewodników i półprzewodników, przekształcający energię procesów cieplnych w energię elektryczną. Jego działanie jest praktycznym wykorzystaniem zjawiska Seebecka, polegającym na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie złożonym z różnych przewodników, jeśli miejsca ich połączeń mają różne temperatury. Powstającą w takim obwodzie siłę elektromotoryczną nazywa się SEM termoelektryczną. W najprostszym przypadku ogniwo termoelektryczne składa się z dwóch różnych, spojonych ze sobą metali.
Mechanizm powstawania SEM termoelektrycznej można wyjaśnić na podstawie klasycznej teorii przewodnictwa elektronowego metali. Zgodnie z tą teorią, w węzłach sieci krystalicznej metalu znajdują się jony dodatnie, pomiędzy którymi poruszają się elektrony uwolnione z powłok walencyjnych atomów. Swobodne elektrony znajdują się w stanie bezładnego ruchu cieplnego, tworząc w metalach gaz elektronowy podlegający prawom gazowym.
Spajając ze sobą dwa różne metale, umożliwia się migrację gazu elektronowego przez powierzchnie styku. Przy nieuporządkowanym ruchu cieplnym, najszybsze elektrony będą przechodzić z jednego metalu do drugiego. Migracja ta zachodzi w obu kierunkach, przy czym z uwagi na różne prawdopodobieństwa przejść elektronów przez powierzchnię styku, jeden z metali uzyska ładunek dodatni, a drugi ujemny. Między metalami powstanie różnica potencjałów zwana napięciem kontaktowym. Napięcie kontaktowe uwarunkowane jest różnymi pracami wyjścia elektronu z metali i różną koncentracją swobodnych elektronów.
Do pomiaru temperatur służą termopary, to znaczy ogniwa termoelektryczne składające się z dwóch drutów wykonanych z różnych metali, których końce są spojone. Jedno spojenie umieszcza się w środowisku o znanej temperaturze, a drugie w środowisku, którego temperaturę należy zmierzyć.
W porównaniu z termometrami cieczowymi termopary wykazują szereg zalet: umożliwiają pomiar w szerokim zakresie (20÷2000K), są bardzo czułe (można tą czułość jeszcze powiększyć łącząc termopary szeregowo w tzw. termostosy), posiadają bardzo małą pojemność cieplną (można mierzyć różnice temperatur do 10-6 stopnia). Można też mierzyć nimi temperaturę mikroelementów. Spojenia drutów mogą znajdować się w dużych odległościach, dzięki czemu można mierzyć temperaturę zdalnie.
WYKONANIE ĆWICZENIA:
M1, M2 - metale (miedź i konstantan)
m - mieszadło magnetyczne
Atr - autotransformator zasilający grzałkę
Po zestawieniu układu i wyzerowaniu miliwoltomierza jedno ze spojeń należało umieścić w mieszaninie wody z lodem o stałej temperaturze T0, zaś drugie w wodzie, którą podgrzewaliśmy przy pomocy grzałki elektrycznej jednocześnie mieszając. Wskazania woltomierza należało notować co 5°C w celu możliwości używania go jako termometru.
T0 [°C] |
T [°C] |
ΔT [°C] |
U [mV] |
|
30 |
29 |
1,20 |
|
35 |
34 |
1,40 |
|
40 |
39 |
1,64 |
|
45 |
44 |
1,88 |
|
50 |
49 |
2,09 |
|
55 |
54 |
2,33 |
1 |
60 |
59 |
2,57 |
|
65 |
64 |
2,80 |
|
70 |
69 |
3,02 |
|
75 |
74 |
3,26 |
|
80 |
79 |
3,50 |
|
85 |
84 |
3,72 |
|
90 |
89 |
4,00 |
|
95 |
94 |
4,20 |
|
97 |
96 |
4,28 |
Celem ćwiczenia był pomiar temperatury topnienia ciał krystalicznych (w tym przypadku naftalenu). Należało najpierw stopić jego kryształki umieszczając probówkę we wrzącej wodzie. Po stopieniu, w probówce należało umieścić jedno ze spojeń termoogniwa drugie pozostawiając w znanej temperaturze T0. Następnie należało notować napięcie podczas chłodzenia naftalenu aż do jego skrzepnięcia. Taki sam pomiar przeprowadziliśmy podczas ponownego topienia próbki.
chłodzenie |
grzanie |
||
t [s] |
U [mV] |
t [s] |
U [mV] |
0 |
3,10 |
10 |
2,73 |
30 |
3,07 |
20 |
2,75 |
60 |
3,00 |
30 |
2,78 |
70 |
2,97 |
40 |
2,80 |
80 |
2,94 |
50 |
2,82 |
90 |
2,90 |
60 |
2,84 |
100 |
2,89 |
70 |
2,87 |
110 |
2,86 |
80 |
2,88 |
120 |
2,82 |
90 |
2,93 |
130 |
2,79 |
100 |
2,97 |
140 |
2,76 |
110 |
3,00 |
150 |
2,73 |
120 |
3,07 |
160 |
2,70 |
130 |
3,15 |
170 |
2,67 |
140 |
3,18 |
180 |
2,66 |
150 |
3,21 |
190 |
2,63 |
160 |
3,23 |
200 |
2,60 |
170 |
3,24 |
|
|
180 |
3,25 |
|
|
190 |
3,28 |
|
|
200 |
3,28 |
|
|
210 |
3,28 |
|
|
220 |
3,28 |
|
|
230 |
3,28 |
|
|
240 |
3,28 |
|
|
250 |
3,28 |
|
|
260 |
3,28 |
|
|
270 |
3,28 |
|
|
280 |
3,28 |
|
|
290 |
3,28 |
|
|
300 |
3,28 |
|
|
330 |
3,39 |
|
|
340 |
3,40 |
|
|
350 |
3,44 |
|
|
360 |
3,45 |
OBLICZENIA:
Wyznaczamy napięcie dla temperatury topnienia i krzepnięcia (charakterystyka pozioma na wykresach) i obliczamy jego średnią wartość:
krzepnięcie: Ut1=3,1 mV
topnienie: Ut2=3,28 mV
średnia arytmetyczna: Ut=3,19 mV
temperatura topnienia: Tt=74°C
różnica temperatur: ΔTt=Tt-T0=74-1=73°C
LICZENIE BŁĘDÓW:
Błąd bezpośredni ΔT0 jest błędem odczytu temperatury T0: ΔT0=1°C.
Błąd Δ(ΔTt) jest określony następująco: Δ(ΔTt)=ΔT1+ΔT2, gdzie: ΔT2 jest błędem odczytu temperatury T popełnionym przy cechowaniu termoogniwa: ΔT2=1°C. ΔT1 związany jest z dokładnością wyznaczenia napięcia Ut.
Błąd pomiaru ΔUt jest sumą błędów ΔU1 wynikającego z klasy użytego miernika cyfrowego (ΔU1=0,01 mV) i błędu ΔU2=|Ut1-Ut2|=3,28-3,1=0,18 mV.
Tak więc ΔUt=ΔU1+ΔU2=0,01+0,18=019. Odkładając na wykresie cechowania termoogniwa wartości napięć Utśr-ΔUt=3 mV oraz Utśr+ΔUt=3,38 mV odczytujemy T11=69,8°C, T12=77,8°C. Błąd ΔT1=|T11-T12|=8°C.
Tak więc Δ(ΔTt)=ΔT1+ΔT2=8+1=9°C.
Błąd maksymalny wzoru Tt=ΔTt+T0 obliczmy metodą różniczkowania w następujący sposób:
WNIOSKI:
Jak widać z wykresu cechowania, napięcie między spoiwami metali jest zależne liniowo od temperatury. Dzięki temu bardzo łatwo obliczać temperaturę ciała na podstawie wartości napięcia, lub po prostu wyskalować woltomierz w °C.
Temperatury topnienia i krzepnięcia różnią się między sobą, co wpłynęło na wartość błędu. Temperatura ciała podczas topnienia lub krzepnięcia jest stała, co bardzo dobrze widać na wykresie grzania naftalenu. Po zakończeniu procesu temperatura dalej odpowiednio rośnie lub maleje.
Termoogniwo jest bardzo dokładnym przyrządem służącym do pomiaru temperatur metodą porównawczą (porównywanie temperatury badanej z temperaturą wzorcową). Zaprzeczeniem tego wydaje się być dość duży błąd pomiarowy. Jest on jednak spowodowany niedokładnym odczytem wartości z wykresu cechowania i dosyć dużą różnicą temperatur topnienia i krzepnięcia. Przyrządy cyfrowe mierzące temperaturę nie posiadają tych wad, gdyż wszelkie przekształcenia dokonują za pomocą obliczeń.
Wyszukiwarka