Wojciech Zdanowicz Szczecin
Rat. I A 11.10.2001
Wyznaczanie charakterystyki
termopary
żelazo-miedzi
Wstęp
Termoparą (termoogniwem) nazywamy obwód składający się z dwóch rodzajów metali 1 i 2 oraz miliwoltomierza. Wymieniłem również drugą nazwę, dlatego że w rzeczywistości jest to ogniwo o sile elektromotorycznej zależnej od różnicy temperatury spojeń.
Schemat termopary
Jeżeli jedno spojenie utrzymane jest w termostatycznej kąpieli o temperaturze T , zaś drugie umieścimy w miejscu o temperaturze nieznanej T, to odczytując wskazania miliwoltomierza możemy wyznaczyć wartość mierzonej temperatury, o ile tylko znamy charakterystykę danej termopary.
Jeśli stworzymy obwód z dwóch różnych metali to w obwodzie powstanie siła elektromotoryczna, oczywiście pod warunkiem, że spojenia miały różną temperaturę. Powstanie ona, dlatego, że na złączach zachodzi niejednakowa dyfuzja elektronów przewodnictwa, gdyż „uprzywilejowane” będą elektrony przechodzące z ciała o mniejszej pracy wyjścia. Z tego powodu jeden przewodnik naładuje się dodatnio a drugi ujemnie. Wtedy powstaje w obwodzie napięcie kontaktowe, które przeciwdziała dalszemu przepływowi elektronów w wyniku czego ustala się stan równowagi termodynamicznej. Warto wspomnieć, że suma napięć w zamkniętym obwodzie wynosi zero.
Kolejnym zjawiskiem związanym z efektem termoelektrycznym, które zachodzi niezależnie od występowania napięcia kontaktowego jest zjawisko Thomsona. Polega ono na wydzielaniu się lub pochłanianiu ciepła przy przepływie prądu przez przewodnik, w którym istnieje gradient temperatury. Powstaje więc siła elektromotoryczna zwana siłą Thomsona o wartości:
E jest funkcją różnicy temperatur obu końcówek przewodu i zależy tylko i wyłącznie od temperatury. A skoro prędkość ruchów cieplnych elektronów zależy od temperatury to więcej elektronów porusza się w kierunku miejsc przewodu o niższej temperaturze niż w odwrotnym kierunku.
W efekcie termoelektrycznym zachodzi również zjawisko Peltiera polegające na tym, że podczas przepływu przez miejsca styku dwóch różnych przewodów prądu stałego zachodzi podgrzewanie lub ochładzanie złącza zależnie od kierunku przepływu prądu.
Ostatnim z ważniejszych pojęć jest poziom energetyczny Ferniego. Jest to najwyższy zapełniony w temperaturze zera bezwzględnego poziom energetyczny. Określa on ilość energii, jaką potrzebuje elektron, aby możliwość jego obsadzenia wynosiła ½ statystyk.
Celem przeprowadzonego ćwiczenia jest uzyskanie pomiarów, które pozwoliłyby na wyznaczenie charakterystyki termopary Fe-Cu. Aby tego dokonać użyliśmy zestawu składającego się z następujących przyrządów:
układ pomiarowa (spirala grzejna z termoparami Fe-Const. (znana charakterystyka) i Fe-Cu (termopara badana))
miliwoltomierz połączony z termoparą Fe-Const.
miliwoltomierz połączony z termoparą Fe-Cu
amperomierz
autotransformator
W celu rozpoczęcia ćwiczenia ustawiliśmy autotransformator na natężenie 1 A i odczytywaliśmy napięcie z miliwoltomierza podłączonego do termopary Fe-Cu co przyrost napięcia na miliwoltomierzu podłączonym do Fe-Const. równy o,5 mV.
Tabela pomiarowa
Obliczenia: obliczanie różnicy temperatur odpowiadających kolejnym napięciom U termopary Fe-Cu, rachunek jednostek, wyprowadzenie wzorów na α i β wraz z obliczeniem ich wartości liczbowej dla termopary Fe-Cu oraz wykresy.
4. Podsumowanie
Jak wspomniałem na początku celem ćwiczenia było uzyskanie pomiarów, a następnie obliczenie danych potrzebnych do wyznaczenia charakterystyki termopary żelazo-miedzi. Pomiary zostały wykonane na tyle dokładnie na ile pozwalały warunki naszego laboratorium. Nasze odczyty nie miały wartości jednakowych z wzorcowymi, ale zbliżone, co jednoznacznie wynika z wykresu zależności E(Θ).