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

A-termopara Fe-CuNi

B-termopara Cu-CuNi

C-termopara Nicrosil - Nisil

T [c]	UA[V]		UB[V]		UC[V]
		ogrzew.	chłodz.	ogrzew.	chłodz.	ogrzew.	chłodz.
30	1,67	1,63	1,67	1,69	1,55	1,58
35	1,86	2,65	1,86	2,21	1,66	2,09
40	2,40	2,82	2,09	2,57	1,86	2,28
45	2,51	3,24	2,23	2,85	2,18	2,59
50	3,12	3,86	2,14	2,98	2,38	2,65
55	3,45	4,53	3,03	3,72	2,77	3,50
60	3,94		3,07		2,80
65	3,92		3,47		3,03

Z uzyskanych obliczeń regresji (program St. Szuby) uzyskałem następujące współczynniki:

-dla pierwszej termopary

α_A= 2,86 x 10^-5 ± 0,31 x 10^-5

-dla drugiej termopary

α_B=2,44 x 10^-5 ± 0,23 x 10^-5

-dla trzeciej termopary

α_C=2,27 x 10^-5 ± 0,19 x 10^-5

---