Лабораторна робота Е–9

Градуювання та визначення сталої термопари.

Мета роботи: навчитися вимірювати термо-ЕРС, визначати її залежність від різниці температур спаїв та обраховувати питому термо-ЕРС термопари.

Провідність металів пояснюється наявністю в них вільних електронів (в основному валентних), що утворюють електронний газ. Ці електрони рухаються хаотично між вузлами кристалічної решітки.

Густина вільних електронів в металах дуже велика (порядку 10²¹-10²³ 1/см³) та не залежить від температури.

При контакті двох різнорідних металевих провідників деякі електрони можуть переходити з одного металу в інший в наслідок теплового руху. Метал, в якому утворюється надлишок електронів, заряджається негативно, а інші позитивно. Контактна різниця потенціалів, що виникає, називається внутрішньою. Якщо з двох різнорідних металів скласти коло та місця з’єднання підтримувати при різних температурах t₁ та t₂, то в колі виникне електрорушійна сила, що називається термо-електричною. Таке з’єднання різнорідних провідників називається термопарою.

Контактна різниця потенціалів обумовлена двома причинами:

1) відмінністю в роботах виходу електронів з металів А та В;

2) відмінністю в концентрації вільних електронів n_B та n_A

Теоретичний розгляд явища термоелектрики в класичній фізиці приводить до такого виразу для ЕРС термопари:

E=c(t₂-t₁), (1)

де ;

k – стала Больцмана;

е – заряд електрона.

Величина с являє собою термо-ЕРС, що виникає при різниці температур в 1⁰С, та назива­ється сталою термопари.

Лінійна залежність (1) зберігається лише в певному інтервалі температур.

Термопари можуть виготовлятися з будь-яких матеріалів. Вони мають широке застосування для виміру та контролю сталості температур в широких межах. Найбільш вживані термопари: мідь-константан, константан-залізо, нікель-залізо, хромель-копель, хромель-алюмель, платинородій-платина, вольфрам-реній. До того ж, більш тугоплавкий матеріал термопар застосовується при більш високих температурах.

Термо-ЕРС найчастіше вимірюється методом компенсації. В цьому випадку на вимірювання не впливає довжина провідних дротів, так як в моменти компенсації струм кола термопари дорівнює 0.

Компенсаційний метод заснований на ІІ законі Кірхгофа (мал.9-1)

Якщо замкнути ключ К₁, то на ділянці з відомим опором R_н та на паралельній йому ділянці термопари з’являється падіння потенціалу U, величину якого можна регулювати за допомогою реостaта R. Нехай при температурі спаїв термопари t₁ та t₂ (t₁< t₂) в ній створюється термо-ЕРС, напрям якої протилежний напряму падіння потенціалу, що створюється на цій ділянці батареєю Б. Тоді за другим законом Кірхгофа

I₁R₁+IR_м=E.

Реостатом R можна підібрати такий опір що струм І₁ на ділянці термопари буде дорівнювати нулю (І₁=0). Таким чином

E=IR_м. (2)

Величина струму І може бути розрахована за показами вольтметра U_v та невідомим опором вольтметра R_v:

.

Підставивши значення I в (2), отримаємо

, (3)

де R_v - опір вольтметра (написано на вольтметрі);

R_м = 0.4-0.5 Ом (задається магазином опорів);

U_v – показ вольтметра.