Теория вопроса и метод выполнения работы

Лабораторная работа № 5

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ

Цель работы: экспериментально выяснить зависимость величины термо-э.д.с. от температуры.

Оборудование: термопара, милливольтметр (гальванометр) с чувствительностью В, штатив с муфтой и лапкой, колба химическая, термометр, электрическая плитка, соединительные провода.

Теория вопроса и метод выполнения работы

Классическая электронная теория исходит из того, что в любом металле имеются свободные электроны, участвующие в тепловом движении и образующие своеобразный газ, получивший название электронного газа.

Если соединить между собой два различных металла, т.е. осуществить между ними контакт, то будет наблюдаться следующее. В момент соединения различных проводников их поверхности получат одинаковые потенциалы . Тогда потенциалы внутренних областей обоих металлов будут выше на величину для первого металла, и на величину для второго, а между внутренними областями обоих металлов появится разность потенциалов .

При наличии появившейся разности потенциалов свободные электроны будут через место контакта перемещаться от одного металла к другому. При этом один металл зарядится положительно, а другой – отрицательно. Поэтому между металлами появится контактная разность потенциалов.

При последовательном соединении трех и более металлов между концами крайних металлов устанавливается разность потенциалов такой же величины, как и между ними при непосредственном их соприкосновении. В этом случае в замкнутой цепи, состоящей из разнородных металлов, сумма контактных разностей потенциалов равна нулю, если все контакты имеют одинаковую температуру. Именно поэтому в такой замкнутой цепи нет электрического тока, а включенный гальванометр не дает показаний.

Величина контактной разности потенциалов зависит не только от свойств контактирующих материалов, но и от температуры контакта, так как с температурой связаны энергия свободных электронов и их концентрация.

Рассматривая замкнутую цепь из двух разных металлов (рис. 1), можно убедиться в том, что при одинаковой температуре контактов I и II электрического тока в цепи не получится, так как контактные разности потенциалов, определяемые формулой:

, (1)

в обоих контактах одинаковы, но направлены в противоположные стороны по цепи:

. (2)

Рис. 1. Образование термо-э.д.с. металлической термопары

 

Если один из контактов, например I, нагреть (), то равновесие нарушается – в контакте I появится дополнительный скачок потенциала, связанный с нагревом. В этом случае . В цепи образуется термоэлектродвижущая сила (термо-э.д.с.), абсолютное значение которой пропорционально разности температур контактов:

, (3)

где – величина, зависящая от свойств металлов, образующих контакт.

Таким образом, термо-э.д.с. возникает в цепи, состоящей из разных металлов, при разной температуре мест соединения.

Однако концентрация свободных электронов в металлах велика и при переходе из одного металла в другой меняется очень мало. В связи с этим контактная разность потенциалов оказывается незначительной и мало зависит от температуры. Такие термоэлементы, преобразующие тепловую энергию в электрическую и применяемые для измерения температур, называются термопарами.

На практике термопары чаще всего применяются для определения разности температур контактов по измерениям термо-э.д.с. в цепи термопары. При этом термопара должна быть проградуирована.

Для этого в цепь термопары включается измеритель термо-э.д.с. – милливольтметр. Термопара в этом случае является источником электрической энергии, а измерительный прибор – приёмником-индикатором.

Порядок выполнения работы

1. Подготовьте в тетради таблицу 1 для записи результатов измерений и вычислений.

2. В колбу налейте холодной воды и опустите в нее термопару; соедините термопару с клеммами гальванометра (рис. 2).

Таблица 1

№ измерения	Температура воды t 2, °С	Показания гальванометра, В
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

 

3. Включите плитку и наблюдайте за показанием гальванометра. Если стрелка гальванометра будет двигаться в обратную сторону, то необходимо поменять местами провода, подходящие к гальванометру.

4. По мере нагревания воды в колбе (через каждые 5 °С) снимайте показания термометра, помещенного в горячую воду и показания гальванометра.

5. Результаты наблюдений занесите в таблицу 1.

6. По полученным значениям термо-э.д.с. постройте график зависимости напряжения в цепи термопары от температуры её спая.

Контрольные вопросы

1. Объясните устройство и принцип работы термопары?

2. Почему для измерения э.д.с. требуется прибор с чувствительностью В?

3. Каким образом зависит термоэлектродвижущая сила от разности температур спаев?

4. Для чего необходимо иметь при измерении температур градуировочный график термопары?

5. Электронная теория проводимости металлов. Зонная теория.

6. Приведите примеры технического применения термопар в медицине и технике.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: