POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

Laboratorium z fizyki ciała stałego

Temat:

Cechowanie termoelementu (termopary) żelazo-molibden i wyznaczanie punktu inwersji

Opracowali:

Rusin Aneta

Wyrembak Katarzyna

Gonera Sylwia

CZĘSTOCHOWA 1998

Część teoretyczna.

• Zjawisko Peltiera

W przypadku, gdy powierzchnie dwóch różnych przewodników metalowych (będących w równowadze elektrostatycznej) stykają się ze sobą, między punktami P i S położonymi blisko powierzchni spojenia powstaje napięcie elektryczne (skok potencjału). Jest to tak zwane napięcie galwaniczne, wartość jego zależy od rodzaju stykających się metali.

Różnica potencjału V powoduje, że proces przeniesienia naboju elektrycznego q z punktu P do S wymaga dostarczenia pracy W=qV .Przemianie tej towarzyszy dodatkowa wymiana ciepła. Gdy miejsce spojenia jest termicznie izolowane, oziębia się ono lub ogrzewa podczas przepływu prądu elektrycznego. Jest to zjawisko Peltiera. Czyli należy pobrać lub dostarczyć pewną ilość ciepła Q proporcjonalną do wartości naboju: Q = Πq. Współczynnik proporcjonalności Π nosi nazwę siły elektromotorycznej (SEM) Peltriera. Wartość SEM jest niezależna od pola powierzchni spojenia oraz od natężenia prądu, zależy natomiast od rodzaju metali stykających się i od ich temperatury. Zjawisko Peltiera jest odwracalne: wymiana ciepła zmienia znak, gdy zmienia się kierunek przepływu prądu.

W obwodzie zamkniętym złożonym z dwóch lub większej liczby przewodników całkowita SEM Peltiera jest równa zeru, gdy wszystkie spojenia mają tę samą temperaturę. SEM Peltiera występująca między jakimikolwiek dwoma przewodnikami metalowymi zawartymi w obwodzie, złożonym z większej liczby różnych przewodników metalowych, zależy wyłącznie od rodzaju dwóch rozpatrywanych przewodników i jest niezależna od rodzaju przewodników zawartych między nimi pod warunkiem , że wszystkie spojenia mają tę samą temperaturę.

• Zjawisko Thomsona.

W przypadku dwóch różnych metali różnica potencjału styku wywołana jest ich różnymi własnościami fizycznymi. Tego rodzaju różnica potencjału może jednak występować między dwoma punktami tego samego materiału mającymi różne temperatury.

Jeśli jednorodny chemicznie pręt posiada w różnych obszarach różne temperatury, to występują tam odmienne własności fizyczne, i miejsca te mogą być rozpatrywane jako dwa różne metale. Końce rozważanego przewodnika mają różny potencjał V_A i V_B dla miejsc A i B. jeśli V=V_A-V_B to podając na przewodnik prąd i w czasie t otrzymujemy lub musimy dostarczyć pracę Vit.

Tak jak w zjawisku Peltiera, tak i tu, w zjawisku Thomsona, występuje wymiana ciepła proporcjonalna do i, jest ona również odwracalna. Zjawisko jest dodatnie, gdy ciepło wydziela się przy przepływie prądu elektrycznego od końca przewodnika o temperaturze wyższej do końca o temperaturze niższej, w przeciwnym przypadku zjawisko jest ujemne. Znak zjawiska zależy od rodzaju użytego metalu, np. jest dodatnie dla miedzi, ujemne dla żelaza. Jeśli różnica temperatur między dwoma punktami przewodnika jest mała i równa ϑ₁-ϑ₂=Δϑ to ilość wymienionego ciepła dla przepływającego w czasie t prądu i wynosi Q=σitΔϑ=σqΔϑ, gdzie σ [V/stopień] jest współczynnikiem Thomsona dla danego materiału, zależnym od temperatury. σ>0 dla zjawiska dodatniego, σ<0 dla zjawiska ujemnego. Ponadto σ przedstawia liczbowo SEM występującą między dwoma punktami o różnicy temperatur jednego stopnia. Podobnie jak w zjawisku Peltiera, suma SEM w obwodzie zrobionym z jednorodnego chemicznie przewodnika przy różnych temperaturach punktowych jest równa zeru, z czego nasuwa się wniosek, iż SEM występująca między dwoma dowolnymi punktami takiego obszaru zależy tylko od temperatur ϑ₁ i ϑ₂ tych punktów, a nie zależy od rozkładu temperatury w dzielącym je obszarze. Jeśli dwa punkty o temperaturach ϑ i ϑ+dϑ leżą nieskończenie blisko, to wartość SEM wynosi dζ=σdϑ.

Ponieważ σ jest funkcją ϑ, SEM między dowolnymi dwoma punktami o temperaturze ϑ₁ i ϑ₂ wynosi
.

• Zjawisko Seebecka.

Zjawisko Seebecka zwane jest często po prostu zjawiskiem termoelektrycznym.

Jeżeli utworzymy obwód zamknięty składający się z jednego przewodnika, w którym w różnych jego miejscach panują różne temperatury, to suma sił elektromotorycznych powstałych na skutek działania zjawiska Thomsona jest równa zeru. Podobnie w obwodzie składającym się z dwóch metali połączonych w dwóch punktach, jeżeli miejsca kontaktu pozostają w tych samych temperaturach, to również nie następuje przepływ prądu mimo wystąpienia zjawiska Peltiera. Dopiero gdy oba złącza znajdują się w różnych temperaturach potencjały kontaktowe są źródłem prądu w obwodzie. Ponieważ napięcie kontaktowe zależy od temperatury to wypadkowa siła elektromotoryczna jest równa:

E_k=|V_p(T₂)-V_p(T₁)|

W takim obwodzie siła elektromotoryczna jest różna od zera.

Oznaczmy współczynniki Thomsona metali A i B poprzez σ_A i σ_B. Wó

wczas siła elektromotoryczna VT równa się (σ_B-σ_A)T. W obwodzie wystąpi siła termoelektryczna równa:

E=V_p(T₂)-V_p(T₁)+(σ_B-σ_A)T

Wraz ze wzrostem temperatury  wzrasta E. Dla pewnej temperatury ₀ zwanej temperaturą obojętną E osiąga wartość maksymalną, a następnie maleje zmieniając znak w tzw. temperaturze inwersji _i. Sytuacja taka występuje w przypadku niektórych termopar, jak na przykład Fe-Mo, Fe-W, Fe-Cu i Fe-Ag. Wykres ich całkowitej siły termoelektrycznej przedstawia wykres zbliżony właśnie do paraboli. Wartość E wzrasta wraz ze wzrostem temperatury do pewnej wartości t₀ gdzie osiąga maksimum (jest to tak zwany punkt obojętny), aby następnie maleć i osiągnąć wartość zero w punkcie t_i. Punkt t_i jest to punkt inwersji. Przy dalszym wzroście temperatury wartość E zmienia znak. Na przykład w przypadku przekroczenia temperatury t_i żelazo staje się ujemne względem miedzi podczas gdy dla niższej jest ono dodatnie. Przy osiągnięciu temperatury inwersji natężenie prądu wynosi zero i zmienia swój kierunek przy przekroczeniu tej temperatury.

II. Schemat blokowy zestawu pomiarowego.

Opis: 1 - autotransformator, 2 - piec oporowy, 3 - termometr rtęciowy, 4 - statyw,
5 - termoelement Fe-Mo, 6 - izolowane naczynie z mieszaniną wody z lodem,
7 - woltomierz cyfrowy, 8 - wodne chłodzenie pieca.

3. Przebieg wykonania ćwiczenia

1. Zakryć płytką ceramiczną otwór pieca oporowego.

2. Włączyć do sieci woltomierz cyfrowy.

3. Uzupełnić ilość wody i lodu w naczyniu izolowanym (w obecności prowadzącego zajęcia).

4. Sprawdzić czy na płycie czołowej woltomierza są wciśnięte następujące klawisze: „function-DC”, „range-10mV”, „response-fast” i „V”.

5. Włączyć woltomierz wciskając klawisz „power”.

6. Odczytać temperaturę początkową pieca, którą wskazuje termometr rtęciowy oraz odczytać wskazanie woltomierza. Wyniki wpisać do tabeli pomiarowej.

7. Włączyć do sieci autotransformator, sprawdzić czy zasilanie pieca oporowego jest podłączone do zacisku „A”, następnie dźwignię „A” autotransformatora przesunąć w dół do wartości 35 (zaznaczono kreską na autotransformatorze).

8. Odczytać temperaturę pieca i odpowiadające jej wskazania woltomierza co 10°C w przedziale temperatur: temperatura początkowa ÷ 280°C.

9. Po osiągnięciu temperatury 280°C dźwignię A autotransformatora cofnąć do pozycji „0”.

10. Wyłączyć autotransformator.

11. Odkręcić kran z wodą aby chłodzić piec oporowy oraz częściowo odsłonić otwór pieca oporowego.

12. Wyłączyć woltomierz ponownie wciskając klawisz „power” i odłączyć go od sieci.

IV. Opracowanie wyników pomiarów

1. Wykres zależności V_t=f(t)

2. Ekstrapolowana prostoliniowa część krzywej cechowania do początku układu współrzędnych

3. Temperatura punktu neutralnego wynosi t₀=135[^oC] , przy odpowiadającym jej napięcie (Vt)_max=75[mV]

4. Temperatura punktu inwersji wynosi t_i=265.4 ^oC

5. Wyznaczenie parametrów a i b.

V. Wnioski

• Wykres zbliżony jest do paraboli.

• Wartość V_t wzrasta wraz ze wzrostem temperatury do pewnej wartości t₀ gdzie osiąga maksimum (jest to tak zwany punkt neutralny lub punkt obojętny), aby następnie maleć i osiągnąć wartość zero w punkcie t_i. Punkt t_i jest to punkt inwersji.

• Dla stałego kroku temperatury Δt różnica potencjałów była niewielka, blisko punktu neutralnego.

• Temperatura punktu neutralnego wyniosła w naszym ćwiczeniu 135°C, przy odpowiadającym jej napięciu 0,075V.

• Punkt inwersji osiągnęliśmy w temperaturze 265,4°C.

• Z zależności V_t=f(t) obliczyliśmy współczynniki a i b równe odpowiednio:

a≈,1.130708833 b≈-0.004260395.

• Przy osiągnięciu temperatury inwersji natężenie prądu wynosi zero i zmienia swój kierunek przy przekroczeniu tej temperatury.

1

8

2

1

3

5

7

4

6

4

---