Nr. Ćwiczenia: 19

BDANIE ZJAWISKA TERMOELEKTYCZNEGO

Klasyczna teoria elektronowa przewodnictwa metali opiera się na pojęciu ,,gazu elektronowego”. Przyjmuje ona , że w nieobecności pola elektrycznego elektrony wykonują bezwładne ruchy między węzłami sieci krystalicznej, podobnie jak cząsteczki gazu w naczyniu, rozkład prędkości tych elektronów podlega prawu Maxwella. Gdy w przewodniku który charakteryzuje się innym rozkładem pasm energetycznych oraz innym rozkładem elektronów w pasmach powstanie pole elektryczne o stałym kierunku natężenia , to elektrony uzyskują składową prędkość w kierunku od potencjału niższego do wyższego.

Wartość całkowitej siły termoelektrycznej dla danych dwóch metali można wyrazić za pomocą równania drugiego stopnia, stosowanego w dość szerokim przedziale temperatur:

α, β - współczynniki charakterystyczne dla danej pary metali

T₁, T₂ - temperatury złącz metali

Układ przewodników, w którym powstaje siła termoelektryczna, nazywa się termoparą , termoogniwem lub termoelementem . Wykres zależności całkowitej SEM termopary od różnicy temperatur przedstawiono na rysunku.

Dla niektórych metali jak na przykład Fe - Cu, Fe - Ag, Fe - W, ε wzrasta ze wzrostem teperatury, osiąga maksimum w temperaturze T₀ , zwanej temperaturą obojętną , następnie maleje , osiągając wartość zero w temperaturze T_i, zwanej temperaturą inwersji. Wartość temperatury inwersji zależy od temperatury złącza chłodniejszego T₂. Jeżeli ta druga wzrasta , wówczas temperatura inwersji T_i maleje. Dlatego też podając wartość T_inależy zawsze odnosić ją do wartości T₂ .

Zadanie A. Wykonać wzorowanie termopary miedź - konstant.

Cechowanie termopary polega na znalezieniu zależności między siłą termoelektryczną i różnicą spojeń termopar przy danej temperaturze spojenia chłodniejszego. Wzór temperatury stanowią temperatury przemian fazowych czystych substancji jak np. topnienie lodu, wrzenie wody.W przypadku badanej termopary miedź - konstantan (stop: 60% Cu + 40% Ni) zakłada się proporcjonalność ε od ∆T. Współczynnik β jest równy zeru więć:

ε=α(T₁ - T₂)

Wodę w naczyniu zawierającym spojenie I ogrzewamy palnikiem i dla danej temperatury notuję wskazania przyrządu pomiarowego mV, aż do momentu wrzenia. Odczyty na przyrządzie pomiarowym odczytuję co 5⁰C.

Tabela pomiarowa:

^0C	mV	^0C	mV
37,4	2	101,1	9
42,4	5	101,6	8,2
47,4	6	100,5	8,9
52,4	7	97,4	8,8
57,4	7,5	92,4	8,8
62,4	8	87,4	8,3
67,4	8,5	82,4	8,1
72,4	9	77,4	7,9
77,4	9,3	72,4	7,5
82,4	9,6	67,4	7
87,4	10	62,4	6,6
92,4	10,2	57,4	6
97,4	10,4	52,4	5,5
101,1	10,6	47,4	5
		42,4	4,5
		37,4	2,3

Wnioski: Z dokonanych pomiarów wynika że napięcie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, błędy jakie mogły się pojawić wynikać mogą z mojego błędnego odczytu z mV, a bardziej dokładne wyniki można by uzyskać przy lepszej jakości mV.

Zadanie B: Wyznaczyć temperaturę punktu obojętnego i temperaturę inwersji dla termopary Fe - Cu.

Badanie zjawiska inwersji polega na znalezieniu temperatury T₀, w której natężenie prądu płynącego w obwodzie osiąga wartość maksymalną Imax oraz na wyznaczaniu punktu inwersji Ti , dla którego natężenie prądu jest równe zeru, a po którego przekroczeniu prąd płynie w obwodzie w odwrotnym kierunku.

Natężenie prądu płynącego w zamkniętym obwodzie zawierającym termoparę wynosi I = ε/R, gdzie R oznacza całkowity opór elektryczny obwodu, można to zapisać w postaci:

I= γ(T₁ - T₂) + δ(T₁ - T₂)

Znając wartość I_max, T₀ oraz T_i można znaleźć wartości współczynników γ i δ równania paraboli:

Przebieg ćwiczenia:

• zerujemy przyrządy pomiarowe

• powoli podgrzewamy cynę w tyglu i zapisujemy wyniki co 50⁰C

• kontynuuję pomiary aż do osiągnięcia wychylenia galwanometru równego zeru

Tabela pomiarowa:

^0C	μA	μA
20	0	12
50	11	23
100	35	55
150	73	80
200	94	100
250	111	114
300	119	119
350	119	116
400	111	110
450	89	80
500	60	40
540	19	20

E

T

Zależność SEM termoelektrycznej od temperatury spojenia gorącego

---