Nr ćwicz. 204	Data	Paweł Matuszak	wydział elektryczny	Semestr II	E9 1
mgr Janusz Rzeszutek		przygotowanie:	wykonanie:	ocena:

Cechowanie termopary (termoogniwa)

Termoogniwo stanowią dwa różne przewodniki połączone ze sobą jak na rysunku. Jeżeli punkty łączenia znajdują się w różnych temperaturach, wówczas powstaje między nimi różnica potencjałów, zwana siłą termoelektryczną (zjawisko Seebecka), której wielkość zależy od zastosowanych przewodników oraz od różnicy temperatur:

współczynniki
charakterystyczne dla materiałów.

Bezpośrednią przyczyną wystąpienia siły termoelektrycznej jest różna wartość napięć kontaktowych w złączach posiadających różne temperatury. 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 określa prawo Richardsona - Dushmana i 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 rysunku
ze względu na wartości prac wyjścia W_a<W_b. 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 taka różnica potencjałów, że dalszy przepływ elektronów od A do B zostanie utrudniony i zrównoważony przepływem od B do A. W stanie równowagi strumienie elektronów w obu kierunkach są takie same, co oznacza:

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 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 konsekwencją zależności energii Fermiego od temperatury.

.

W celu znalezienia napięć termoelektrycznych odpowiadających określonym różnicom temperatur
stosujemy układ, w którym jedno złącze znajduje się w naczyniu zawierającym mieszaninę wody z lodem, gwarantującą stałą T = 0^oC, a temperaturę drugiego złącza zmieniamy. Podnosząc stopniowo temperaturę, co 5⁰C mierzymy odpowiadające jej napięcie termoelektryczne. Podobne pomiary przeprowadzamy dla stygnięcia.

Pomiary

T [K]	UA[V]		UB[V]		UC[V]
	ogrzew.	chłodz.	ogrzew.	chłodz.	ogrzew.	chłodz.
298	29	15	16	8	17	9
303	51	43	26	21	28	24
308	58	71	35	32	39	38
313	100	98	47	43	53	51
318	122	121	56	52	64	63
323	139	151	66	67	74	77
328	163	179	79	76	89	97
333	200	209	92	89	102	105
338	221	231	104	99	114	117
343	250	256	125	108	129	129
348	277	284	136	122	143	142
353	307	315	148	139	158	157
358	320	341	175	165	169	167
363	356	361	205	196	182	179
368	383	383	229	232	191	190

Na poniższych wykresach kolory oznaczają: czerwony - ogrzew.; niebieski - chłodzenie

Wykres zależności U od T dla termopary A

Metodą regresji liniowej obliczam współczynnik termoelektryczny:

dla ogrzewania:

α_A = 5,136 ± 0,082 [ V / K ]

dla chłodzenia:

α_A = 5,324 ± 0,040 [ V / K ]

wartość średnia: α_A = 5,225 ± 0,061 [ V / K ]

Wykres zależności U od T dla termopary B

Metodą regresji liniowej obliczam współczynnik termoelektryczny

do temperatury T = 338 [K] (zakres liniowy):

dla ogrzewania:

α_B = 2,190 ± 0,05 [ V / K ]

dla chłodzenia:

α_B = 2,267 ± 0,031 [ V / K ]

wartość średnia: α_B = 2,229 ± 0,041 [ V / K ]

Wykres zależności U od T dla termopary C

Metodą regresji liniowej obliczam współczynnik termoelektryczny:

dla ogrzewania:

α_C = 2,560 ± 0,026 [ V / K ]

dla chłodzenia:

α_C = 2,591 ± 0,032 [ V / K ]

wartość średnia: α_C = 2,576 ± 0,029 [ V / K ]

Wnioski:

We wszystkich trzech przypadkach wykresy zależności napięcia termoelektrycznego od temperatury nie różnią się zbytnio dla ogrzewania i dla chłodzenia a uzyskany metodą regresji liniowej współczynnik termoelektryczny jest podobny przy wzroście i przy spadku temperatury.

Na przebieg doświadczenia nie wpłynął zbytnio fakt, że jeden z końców termoogniwa znajdował się nie w wodzie z lodem a w powietrzu, a za temperaturę odniesienia nie służyło 0^oC tylko temperatura otoczenia.

Pomiary utrudniał fakt, że temperatura zmieniała się szybko a napięcie trzeba było odczytać dla trzech termopar, stąd niewielkie rozbieżności przy odczytach ogrzewania a dla chłodzenia.

Regresję liniową dla termoogniwa B zastosowałem tylko do temperatury T = 338 [K], gdyż tylko do tego miejsca wykres był liniowy.

---