nr ćwiczenia 204	data 94.3.25	imię i nazwisko	wydział Elektryczny	semestr drugi	grupa nr laboratorium E7
		prowadzący	przygotowanie	wykonanie	ocena ostateczna

TEMAT: Cechowanie termoogniwa.

1. Wstęp teoretyczny.

Termoogniwo stanowią dwa różne przewodniki połączone ze sobą w sposób przedstawiony na rysunku:

Jeżeli punkty łączenia przewodników 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 i 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 i ich zależność od temperatury zrozumiemy rozważając zjawiska elektronowe w metalach.

Rysunek a) przedstawia obsadzone poziomy elektronowe w dwóch różnych przewodnikach - i . Ich poziomy Fermiego leżą w różnych odległościach od poziomu próżni , więc prace wyjścia i są także różne. W każdej temperaturze istnieje pewna ilość elektronów, które posiadają energię kinetyczną wystarczającą do wykonania pracy wyjścia , a zatem do wyjścia poza 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 będą przechodziły do metalu i odwrotnie. W sytuacji przedstawionej na rysunku a) ze względu na wartości prac wyjścia (). Przewaga prądu prowadzi do zwiększenia ilości elektronów w metalu i do powstania ich niedomiaru w metalu . W tej sytuacji metale naładują się przeciwnymi znakami i powstanie między nimi różnica potencjałów o takim kierunku, że dalszy przepływ elektronów od do zostanie utrudniony i w końcu zrównoważony przepływem od do . W stanie równowagi, przedstawionym na rysunku b), strumienie elektronów w obu kierunkach są takie same, co oznacza, że wykładniki potęgowe w poprzednich równaniach są równe, czyli:

Powyższe równanie odzwierciedla fakt, że elektrony opuszczające metal muszą wykonać, oprócz pracy wyjscia, 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:

gdzie oznacza ładunek elektronu.

Gdy oba złącza znajdują się w tej samej temperaturze, wówczas ich napięcia kontaktowe kompensuja się i napięcie wypadkowe jest równe zeru. Podobnie, w dowolnym obwodzie zamkniętym złożonym z większej ilości przewodników suma napięć kontaktowych jest równa zeru.

Napięcie kontaktowe zmienia sie wraz z temperaturą. Wynika to z zależności energii Fermiego od temperatury. Zależność tę opisuje równanie:

gdzie jest energią Fermiego w temperaturze .

Z kolei od wartości energii Fermiego zależna jest praca wyjścia metalu. Przy zmianie temperatury danego kontaktu prace wyjścia obu metali zmieniają się o różną wartość, co prowadzi do zmiany napięcia kontaktowego. Zatem tylko przy różnicy temperatur złącz w obwodzie wystąpi wypadkowe napięcie zwane siłą termoelektryczną.

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

Jeśli do obwodu zawierającego złącza różnych przewodników przyłożymy napięcie zewnętrzne, wówczas popłynie prąd elektryczny. Gdy prąd na swej drodze napotyka spadek napięcia kontaktowego, wówczas na złączu wydziela się ciepło zgodnie z prawem Joule'a-Lenza: . Przepływowi prądu przez złącze, w którym skok potencjału jest dodatni, towarzyszy pobieranie przez elektron ciepła od metalu, czyli oziębianie się złącza. Pobieranie lub wydzielanie ciepła przy przepływie prądu przez złącza metali nazywamy zjawiskiem Peltiera.

Zjawiska termoelektryczne są obecnie szeroko wykorzystywane zarówno do pomiaru wysokich temperatur, jak i przy wykrywaniu bardzo słabego ogrzania. Do pomiaru niezbyt niskich temperatur używane są termoogniwa zwane również termoparami lub termoelementami. Termoogniwa pomiarowe zbudowane są z przewodników o znanym, uprzednio dobrze zmierzonym, napięciu termoelektrycznym. W miejscu kontaktu przewodniki, najczęściej w postaci drutu, są spawane lub lutowane. Jeden z kontaktów umieszcza się w ośrodku o określonej temperaturze , np. mieszaninie wody z lodem. Natomiast drugi w miejscu, którego temperaturę chcemy zmierzyć. Powstające w obwodzie napięcie mierzymy miliwoltomierzem. Na podstawie zmierzonego napięcia wyznaczamy różnicę i następnie samą temperaturę .

2. Wzorcowanie termoogniwa.

W celu znalezienia napięć termoelektrycznych odpowiadających określonym różnicom temperatur stosujemy następujący układ: jedno złącze znajduje się w naczyniu zawierającym mieszaninę wody z lodem (, zaś drugie jest podgrzewane lub oziębiane (jego temperaturę mierzymy termometrem). Po osiągnięciu temperatury wyłączamy grzejnik na stałe i dokonujemy pomiarów w czasie stygnięcia.

3. Przebieg ćwiczenia.

3.1. Zmierzenie napięcia termoelektrycznego dla termopary nr 1,2,3, przy ogrzewaniu do i oziębianiu do , co .

3.2. Wykonanie wykresów zależności napięcia termoelektrycznego od temperatury dla każdej z termopar oraz zastosowanie regresji liniowej do opracowania optymalnej krzywej wykresu.

Błedy systematyczne: pomiaru temperatury ,

pomiaru napięcia .

UWAGA: Każdy kwadrat na wykresach oznacza jeden punkt.

3.3. Współczynnik termoelektryczny dla każdej termopary jest zerem, a współczynnik jest tangensem nachylenia prostej (składnik we wzorze ).

4. Błędy ().