204			Wydział Fizyki Technicznej	Semestr 2	Grupa 2 nr lab.
Prowadzący: dr J.Ruczkowski	przygotowanie	wykonanie	ocena

CECHOWANIE TERMOPARY

1. Podstawy teoretyczne

Termoogniwo stanowią dwa różne przewodniki połączone ze sobą. 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 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 odpowiedni układ.

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)

1. Wyniki pomiarów, obliczenia

	Napięcie termoelektryczne
T	A
[^0C]	[mV]
22	0,86
25	0,95
30	1,16
35	1,39
40	1,64
45	1,86
50	2,11
55	2,4
60	2,63
65	2,89
70	3,13
75	3,4
80	3,69
85	3,95
90	4,21
95	4,49
100	4,73
105	5,01
110	5,3
115	5,56
120	5,85

	Współczynnik nachylenia	Niepewność współczynnika nachylenia
A	5,25 · 10^-5	5,82 · 10^-7
B	3,16 · 10^-5	3,13 · 10^-7
C	3,58 · 10^-5	3,26 · 10^-7

WYNIKI W POSTACI OSTATECZNEJ:

Współczynnik termoelektryczny

α_A = (5,25 ± 0,07) · 10^-5 [V/⁰C]

α_B = (3,16 ± 0,02) · 10^-5 [V/⁰C]

α_C = (3,58 ± 0,04) · 10^-5 [V/⁰C]

1. Wnioski

Wraz ze wzrostem temperatury rośnie napięcie termoelektryczne. Punkty wykresu układają się wokół linii prostej, co świadczy ,że zależność napięcia termoelektrycznego od temperatury jest liniowa.

Konieczność dokonywania pomiaru siły termoelektrycznej dla trzech termopar powodowała, iż nie zawsze wszystkie trzy pomiary dokonywane były w tej samej temperaturze.

Otrzymane wykresy są zbliżone do przykładowych charakterystyk termopar.