Janusz Kucaba 16.10.2005
I TD
Sprawozdanie z ćwiczenia nr. 22
Cechowanie termopary
Zagadnienia do samodzielnego opracowania:
Zjawisko kontaktowe na granicy dielektryków
Zjawisko kontaktowe metal-metal
Siła termoelektryczna
II. Zagadnienia teoretyczne:
Zjawisko kontaktowe na granicy dielektryków
Jeśli zetkniemy ze sobą dwa dielektryki to wytworzy się między nimi różnica potencjałów zwana napięciem kontaktowym. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki każdego ciała posiadają różne siły przyciągania ładunków ujemnych i dodatnich. Jeżeli dysponujemy jednym ciałem to ma ono taki sam rodzaj cząsteczek a przez to ładunki są równomiernie przyciągane. Natomiast jeśli zbliżymy do siebie dwa ciała na odległość równą odległości oddziaływania sił międzycząsteczkowych to ciało, które ma większą się przyciągania ładunków dodatnich nagromadzi ich więcej niż ciało, które tej przewagi niema i odwrotnie. W wyniku nierównomiernego podziału ładunków na styku tych ciał wytwarza się siła elektromotoryczna.
Zjawisko kontaktowe metal-metal
Analogiczną sytuacje, lecz o wiele słabszą możemy zaobserwować gdy zetkniemy ze sobą dwa metale. W metalach elektrony przewodzenia znajdują się w nieuporządkowanym ruchu cieplnym. Te które poruszają się najszybciej i mają dostatecznie dużą energię kinetyczną mogą wylecieć w otaczającą przestrzeń tworząc tzw. „chmurę elektronową”. Praca, która musi zostać wykonana aby usunąć elektron z metalu umieszczonego w próżni nazywana jest pracą wyjścia. Praca wyjścia wyrażana jest zazwyczaj elektronowoltach [eV]. Zjawisko powstawania kontaktowej różnicy pomiędzy stykającymi się dwoma metalami zostało odkryte przez Voltę. Ustalił on następujące dwa prawa:
1. Podczas łączenia dwóch przewodników wykonanych z różnych metali powstaje między nimi kontaktowa różnica potencjałów, która zależy jedynie od ich składu chemicznego i temperatury.
2. Różnica potencjałów między końcami obwodu składającego się z połączonych szeregowo przewodników metalowych pozostających w jednakowej temperaturze nie zależy od składu chemicznego ogniw pośrednich szeregu. Różnica ta równa się kontaktowej różnicy potencjałów, powstającej, podczas bezpośredniego połączenia przewodników skrajnych.
Jeżeli zetkniemy ze sobą dwa metale to gdy praca wyjścia elektronów pierwszego metalu (*1) będzie mniejsza od pracy wyjścia drugiego (*2) to elektronom z pierwszego ośrodka będzie łatwiej przedostać się do drugiego niż elektronom z drugiego do pierwszego. Wynika stąd, że w ośrodku pierwszym będzie ich niedomiar a w ośrodku drugim nadmiar. W ten sposób powstanie miedzy nimi kontaktowa różnica potencjałów, którą możemy wyrazić wzorem:
ΔV`12 = V`1 -V`2
Siła termoelektryczna
Według prawa Volty suma napięć kontaktowych dla zamkniętego obwodu przewodników pierwszej klasy wynosi zero, jeżeli wszystkie miejsca styku mają tę samą temperaturę. Gdy co najmniej jedno miejsce styku ma inną temperaturę niż pozostałe, wówczas w obwodzie powstaje siła elektromotoryczna, zwana siłą termoelektryczną, i w obwodzie popłynie prąd elektryczny.
III .Wykonanie ćwiczenia
Do dwóch pojemników z wodą wrzuciłem kostki lodu w celu obniżenia temperatury do 0°C. Następnie do wsunąłem termometry z przymocowanymi do nich ogniwami termopary, które podłączyłem do miliwoltomierza tak jak to jest widoczne na rysunku.
Jeden z pojemników został umieszczony na grzejniku elektrycznym. Po włączeniu tegoż grzejnika temperatura w pojemniku na nim postawionym zaczęła rosnąć. Obserwując termometr T2 co 5°C odczytywałem wskazania miliwoltomierza i zapisywałem je w tabelce pomiarowej.
T1 |
T2 |
T2-T1 |
E |
K |
K±ΔKMAX |
[°C] |
[°C] |
[°C] |
[mV] |
[ mV/0C ] |
[mV \ 0C ] |
0,5 |
1 |
0,5 |
00,03 |
0,06 |
0,121 |
0,5 |
6 |
5,5 |
00,28 |
0,051 |
0,0093 |
0,5 |
11 |
10,5 |
00,51 |
0,049 |
0,0047 |
0,5 |
16 |
15,5 |
00,68 |
0,044 |
0,0029 |
0,5 |
21 |
20,5 |
00,88 |
0,043 |
0,0021 |
0,5 |
26 |
25,5 |
01,09 |
0,043 |
0,0016 |
0,5 |
31 |
30,5 |
01,29 |
0,042 |
0,0014 |
0,5 |
36 |
35,5 |
01,48 |
0,042 |
0,0012 |
0,5 |
41 |
40,5 |
01,69 |
0,042 |
0,001 |
0,5 |
46 |
45,5 |
01,91 |
0,042 |
0,00093 |
0,5 |
51 |
50,5 |
02,13 |
0,042 |
0,00084 |
0,5 |
56 |
55,5 |
02,32 |
0,042 |
0,00076 |
0,5 |
61 |
60,5 |
02,51 |
0,042 |
0,0007 |
0,5 |
66 |
65,5 |
02,75 |
0,042 |
0,00065 |
0,5 |
71 |
70,5 |
02,93 |
0,042 |
0,0006 |
0,5 |
76 |
75,5 |
03,14 |
0,042 |
0,00056 |
0,5 |
81 |
80,5 |
03,36 |
0,042 |
0,00052 |
0,5 |
86 |
85,5 |
03,58 |
0,042 |
0,0005 |
0,5 |
91 |
90,5 |
03,78 |
0,042 |
0,00046 |
Korzystając ze wzoru:
E = k (T2 - T1 )
Obliczyłem współczynnik termoelektryczny „K“. Narysowałem wykres E = f(T) i zaznaczyłem na nim błędy pomiarowe ΔT i ΔE przyjmując, że ΔT = 1 a ΔE = 0,05.
Błąd ΔK obliczyłem ze wzoru:
bezwzględny :
ostatecznie
IV. Wnioski
Po uprzednim wykonaniu ćwiczenia można zaobserwować, że napięcie panujące na termoogniwie jest wprost proporcjonalne do różnicy temperatur w których znajdują się poszczególne jego części. Błąd względny współczynnika termoelektrycznego Δk na którego wielkość wpływają błędy ΔT oraz ΔE, dla poszczególnych pomiarów miałby znacznie mniejszą wartość gdyby zastosowane zostały dokładniejsze przyrządy pomiarowe tj. dokładniejszy miliwoltomierz oraz termometry.
grzejnik
woda z lodem
Termometr T2
Termometr T1
mV
Wyszukiwarka