nr ćwicz. 204	data 16.04. 2009		Wydział Technologii Chemicznej	Semestr II	grupa 3 nr lab. 1
prowadzący dr inż., A. Skibiński			przygotowanie	wykonanie	ocena ostateczna

Cechowanie termoogniwa

1. Wstęp teoretyczny

Termoogniwo stanowią dwa różne przewodniki połączone ze sobą w sposób przedstawiony na rysunku. Jeżeli punkty łączenia znajdują się w różnych temperaturach, wówczas powstaje między nimi różnica potencjałów, zwana siłą termoelektryczną. Jej wielkość zależy od rodzaju przewodników tworzących termoogniwo oraz od różnicy temperatur i wyraża się wzorem

Współczynniki
charakteryzują zastosowane materiały. Przedstawiony efekt nazywamy zjawiskiem Seebecka.

Bezpośrednią przyczyną wystąpienia siły termoelektrycznej jest różna wartość napięć kontaktowych w złączach posiadających różne temperatury. Istnienie napięć kontaktowych związane jest ze zjawiskami elektronowymi w metalach. W każdej temperaturze istnieje pewna ilość elektronów, które posiadają energię kinetyczną wystarczającą do wykonania pracy wyjścia W, a zatem do wyjścia na powierzchnię metalu. Te elektrony tworzą tzw. prąd termoemisji skierowany prostopadle do powierzchni metalu. Gęstość prądu termoemisji określona jest prawem Richardsona - Dushmana i dla obu przewodników z rys. 1 wynosi odpowiednio

Gdy oba przewodniki zbliżymy na bardzo małą odległość, elektrony opuszczające metal A będą przechodziły do metalu B i odwrotnie. W sytuacji przedstawionej na rys. 1
ze względu na wartości prac wyjścia
. Przewaga prądu
prowadzi do zwiększenia ilości elektronów w metalu B i do powstania ich niedomiaru w metalu A. W tej sytuacji metale naładują się przeciwnymi znakami i powstanie między nimi różnica potencjałów o takim kierunku, że dalszy przepływ elektronów od A do B zostanie utrudniony i w końcu zrównoważony przepływem od B do A. W stanie równowagi strumienie elektronów w obu kierunkach są takie same, co oznacza:

Powyższe równanie odzwierciedla fakt, że elektrony opuszczające metal A muszą wykonać, oprócz pracy wyjścia, pracę przeciwko różnicy potencjałów
. Tę różnicę potencjałów, powstającą w wyniku zetknięcia się dwóch przewodników, nazywamy napięciem kontaktowym. Jego wartość określona jest tylko przez różnicę prac wyjścia obu metali

Siła termoelektryczna może wystąpić także w przewodniku jednorodnym ( bez złącz), gdy między jego końcami wytworzymy różnicę temperatur. To zjawisko nosi nazwę efektu Thomsona i jest prostą konsekwencją zależności energii Fermiego od temperatury.

.

Zjawisko Peltiera - pobieranie lub wydzielanie ciepła przy przepływie prądu przez złącza metali.

Wzorcowanie termoogniwa.

W celu znalezienia napięć termoelektrycznych odpowiadających określonym różnicom temperatur
stosujemy układ przedstawiony na rysunku 2. Jedno złącze znajduje się w naczyniu zawierającym mieszaninę wody z lodem (
), zaś drugie w naczyniu z wodą, której temperaturę zmieniamy za pomocą grzejnika G. Temperaturę T mierzymy czujnikiem oporowym
, a jej wartość odczytujemy za pomocą miernika cyfrowego. Stosuje się trzy różne termopary:
. Przełącznikiem Pr w obwód każdej termopary można włączyć miliwoltomierz cyfrowy (mV).

2. Pomiary i obliczenia

GRZANIE

	Termopary - odczyty napięć termoelektrycznych [mV]
Temperatura [^oC]	Cu-CuNi	Nitrosil-Nisil	Fe-cuni
27,7	1,27	0,64	0,82
35	1,63	0,86	0,96
40	1,89	1,03	1,06
45	2,17	1,19	1,16
50	2,36	1,40	1,29
57	2,84	1,55	1,45
60	2,88	1,79	1,52
65	3,29	1,97	1,63
70	3,50	2,07	1,79
75	3,85	2,26	1,89
80	4,06	2,47	2,00
85	4,31	2,68	2,13
90	4,7	3,02	2,20
95	4,96	3,21	2,29
100	5,35	3,39	2,47
105	5,55	3,57	2,59
110	6,03	3,71	2,8
115	6,11	3,83	2,92

CHŁODZENIE

	Termopary - odczyty napięć termoelektrycznych [mV]
Temperatura [^oC]	Cu-CuNi	Nitrosil-Nisil	Fe-CuNi
115	6,11	3,83	2,92
110	6,05	3,75	2,78
105	5,62	3,60	2,64
100	5,39	3,46	2,57
95	5,18	2,92	2,52
90	4,70	2,66	2,33
85	4,44	2,62	2,17
80	4,07	2,40	2,08
75	3,88	2,20	1,94
70	3,57	2,09	1,79
65	3,30	1,87	1,68

Wyznaczenie współczynnika termoelektrycznego
metodą regresji liniowej

Rodzaj termoogniwa	Wynik regresji	Odchylenie standardowe	Wynik zaokrąglony
Fe-CuNi	0,023829	0,000361	(2,24 0,04)
Cu-CuNi	0,056874	0,000714	(5,69 0,07)
Nicrosil-Nisil	0,038343627	0,000645	(3,83 0,06)

3. Wnioski:

Z powodu stałego ogrzewania termopar trudno było określić napięcie elektryczne termopar w tej samej temperaturze. Spowodowało to powstanie błędu pomiaru, który przewyższał błąd wynikający z dokładności narzędzi pomiarowych. Wykresy pokazały, że podczas przyrostu temperatury, napięcie termoelektryczne termopar zmienia się w sposób liniowy.

4

---