ГРАДУИРОВКА ТЕРМОЭЛЕМЕНТА В КАЧЕСТВЕ ТЕРМОМЕТРА
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ТЕРМО-ЭДС.
ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: 1.Гальванометр.
2.Два одинаковых термоэлемента.
3.Два термометра.
4.Нагреватель.
5.Пробирки.
6.Магазин сопротивлений.
7.Соединительные провода.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Если спаять два куска проволоки из разных металлов, например меди и железа, константана и меди и др., и замкнуть цепь, то в случае, если спаи будут иметь различные температуры, в цепи возникнет ток. Наличие тока (термотока) в цепи объясняется возникновением электродвижущей силы, которая в этом случае называется термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Ее величина определяется по формуле:
E = (q/k) ln(n01/n02) (Ta–Tb) = (Ta–Tb), (1)
где
= (q/k) ln(n01/n02) (2)
я
вляется постоянной величиной для определенного спая двух металлов с концентрациями электронов n01 и n02 ; k – постоянная Больцмана; q – заряд электрона. Устройство состоящее из двух спаев металлов и дающее при наличии разности температур спаев ЭДС, а при замкнутой цепи – ток, называется термоэлементом или термопарой.
темный
темный провод
провод
белый провод
Рисунок 1
Как видно из выражения (1), величина ЭДС зависит от разности температур Ta нагретого и Tb холодного спаев металлов. Поэтому характеризуют еще как термо-ЭДС, возникающую при разности температур спаев в один градус. Ее величина определяет чувствительность термоэлемента. Для некоторых спаев эта величина принимает следующие значения, выраженные в мВ/град: медь-железо – 0,016; константан-медь – 0,041; константан-железо – 0,053.
Для любого интервала температур отклонение стрелки гальванометра N пропорционально термо-ЭДС:
N = E (3)
Где - коэффициент, показывающий, на сколько делений отклоняется стрелка гальванометра при величине термо-ЭДС 1 мВ. Подставляя в формулу (3) значение E из выражения (1), получим
N = (Ta–Tb) = (Ta–Tb) (4)
Коэффициент зависит не только от материалов спаев, но и от сопротивления всей цепи и от чувствительности гальванометра. Формулу (4) можно записать иначе:
= N/(Ta–Tb) (5)
этот коэффициент показывает смещение стрелки гальванометра при разности температур 10 . Аналогично коэффициенту коэффициент представляет чувствительность всей установки.
Если температуру Tb холодного спая поддерживать постоянной, то термо-ЭДС будет функцией температуры Тa нагретого спая. Тогда формулу (5) можно представить в виде линейной зависимости:
Ta = N/ + Tb (6)
Функциональную зависимость температуры Ta нагреваемого спая от отклонений N стрелки гальванометра можно определить экспериментально, построив графическую зависимость Ta от N.
Чувствительность а термоэлемента и величину термо-ЭДС определяют следующим образом. Пусть n0 – отклонение стрелки гальванометра, соответствующее некоторой разности температур Ta–Tb. Если с – постоянная гальванометра по току (помечается на циферблате прибора), R0 – сопротивление гальванометра, подводящих проводов и термоэлемента, то термо-ЭДС при данной разности температур будет вычисляться по формуле
E = cn0R0 (7)
Включив последовательно с R0 некоторое сопротивление Rм = 100-200 Ом магазина сопротивлений, обнаружим, что стрелка гальванометра отклонится на число делений n
E = cn (R0+Rм) (8)
Решив уравнения (7) и (8) относительно R0 и подставив его значение в (7), найдем
E = (cn0nRм)/(n0-n) (9)
Из выражений (9) и (1) легко получить чувствительность термоэлемента
= E/(Ta-Tb) = (cRмn0n)/((Ta-Tb)(n0-n)) (10)
Определив , из формулы (1) или (10) можно найти величину термо-ЭДС.
Термоэлементы имеют большие преимущества перед ртутными и спиртовыми термометрами вследствие малой инерционностью и малого размера. Для повышения чувствительности термоэлементы соединяют в термобатарею, одни спаи которой, например нечетные, нагреваются, а четные находятся в холодном состоянии.
Рисунок 2
ПОРЯДОК РАБОТЫ.
ВНИМАНИЕ! СОБРАННУЮ СХЕМУ ВКЛЮЧАТЬ ТОЛЬКО ПОСЛЕ ПРОВЕРКИ ЕЕ ПРЕПОДАВАТЕЛЕМ.
1) Градуировка термоэлемента. Собирают установку по схеме, показанной на рисунке 1. Сопротивление магазина устанавливают в нулевое положение. Нагреваемый спай термоэлемента погружен в сосуд с водой, который находится в выключенном нагревателе а холодный спай помещен в воду с такой же температурой. При этом стрелка гальванометра Г находится в нулевом положении. После проверки учителем правильности собранной схемы, включают нагреватель и через каждые 20 фиксируют температуры Та и соответствующие им отклонения стрелки гальванометра. Отсчет температур и отклонений стрелки гальванометра продолжают до достижения предела гальванометра, после чего выключают нагреватель, включают вентилятор и проводят измерения при остывании спая. Повторить опыт три раза и по значениям эксперементально снятых температур и отклонениям стрелки гальванометра вычерчивают график зависимости Ta-Tb от N.
Результаты опыта, постоянные и расчетные величины заносят в таблицу.
2) Определение чувствительности и величины термо-ЭДС термоэлемента. При некоторой температуре нагреваемого спая Ta отмечают отклонение n0 гальванометра (желательно около 20 делений). Затем отключают нагреватель и при той же температуре подбирают такое сопротивление, чтобы отклонение n стрелки гальванометра равнялось n0/2. Эти измерения следует проводить быстро, чтобы не изменилась разность температур Ta-Tb. По известным c, n0, n, Rм, Ta и Tb по формуле (10) находят чувствительность , а затем Е. Измерения проводят три раза для различных значений Ta.