Принцип работы потенциометра

После этого рукоятки Р₁ и Р₂ трогать нельзя.

Ток I, который течет через резистор R (рис. 3.2), при отсутствии тока в гальванометре будет постоянным и называется рабочим током. Величина его зависит только от e и полного сопротивления контура, по которому течет ток I.

При определении e_х нужно переключатель П поставить в положение “ И ” (измерение). При этом в цепь (см. рис. 3.2) вместо e_N будет включен e_х Нажав кнопку “Грубо”, замкнем цепь гальванометра и по ней будет течь ток.

Рукоятками L ₁ и L ₂ (они связаны с сопротивлением R) установим ток в гальванометре, равный нулю. Затем вместо кнопки “Грубо” нужно нажать кнопку “Точно” и рукояткой L ₂ установить I _r = 0.

Конструктивно потенциометр устроен так, что величина измеряемой ЭДС e _х определяется вмилливольтахпоказаниями шкал, которые расположены под рукоятками L ₁ и L ₂ (измеряемая ЭДС равна сумме показаний при I _г = 0).

Порядок выполнения работы

1. Установить рабочий ток I (скомпенсировать e_N).

Градуировка термопары

Цель работы: ознакомиться с методом градуировки термопары.

Приборы и принадлежности: термопара, термометр, колба с водой, электроплитка, потенциометр (прибор для измерения ЭДС источника тока. Принцип действия и описание его даны в работе № 3) или гальванометр.

Сведения из теории

Термопара представляет собой два разнородных проводника (I и II), соединенные своими концами (рис. 4.1, а). Места соединений называют спаями (А и В). Если температуры спаев не одинаковы (например, Т _А > Т _В ), то в цепи термопары потечет ток (термоток) - явление Зеебека.

Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС e пропорциональна разности температур “горячего” (А) и “холодного” (В) спаев

e = a(Т _А - Т _В), (4.1)

где a - удельная термо-ЭДС, определяется свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, для пары железо - константан a = 5,3 ´ 10^-5 В/К.

Возникновение термотока при Т _А ¹ Т _В связано с наличием разных по величине контактных разностей потенциалов (КРП) в спаях А и В. КРП в любом из спаев определяется выражением

, (4.2)

где А ₁ и А ₂ - работа выхода электрона соответственно из металлов I и II; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; n ₁, n ₂ - концентрации электронов в металлах I и II.

При одинаковых температурах спаев их КРП одинаковы, но про-тивоположны по направлению. ЭДС, равная алгебраической сумме скачков потенциалов в цепи, в этом случае нулевая, так как имеется два одинаковых источника тока, соединенных одинаковыми полюсами (рис. 4.1, б).

Если Т _А ¹ Т _В, то

/Dj_A/ ¹ /Dj_B/,

e = Dj_A - Dj_B =

что совпадает с формулой (4.1), если

.

Используются термопары чаще всего для измерения высоких (или низких) температур. Для этого “горячий” спай помещают в среду, температуру Т которой хотят узнать (Т _А = Т), а “холодный” спай - в среду с известной температурой Т _В = Т _О (например, в тающий лед). Измерив термо-ЭДС (термоток) и зная a, по формуле (4.1) легко вычислить Т. При измерениях удобно иметь предварительно проградуированную термопару. В этом случае нет необходимости в знании a. По измеренным ЭДС и Т непосредственно по графику e = f (D Т = Т - Т_О) определяют D Т, а значит, и Т. Задача данной лабораторной работы состоит в том, чтобы получить градуировочную кривую. Градуировку термопары производят по той же схеме (рис. 4.2), что и при измерениях температуры, с той лишь разницей, что “горячий” спай здесь помещают в среду, температуру которой можно изменить и измерить независимым от термопары способом (обычным термометром).

П р и м е ч а н и е. Очень часто ”холодный” спай оставляют при температуре окружающего воздуха (особенно при измерении температур в производственных условиях). В этом случае нет необходимости специально его создавать. Роль такого спая играет любой из контактов (В ₁ или В₂) проводника термопары (рис. 4.3) с измерительным прибором.

Порядок выполнения работы

1. ”Горячий” спай термопары (он вместе с термометром помещен в пробирку с жидкостью) опустить в колбу с водой, установленную на электроплитке.

2. Концы термопары (здесь термопара такая, как на рис. 4.3) присоединить непосредственно к зажимам потенциометра (красный провод к “+”).

3. Измерить и записать температуру “холодного” спая - комнатную температуру. Эти и последующие измерения занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

4. Включить плитку в сеть и довести воду в колбе до кипения.

5. Измерить температуру “горячего” спая и с помощью потенцио-метра определить термо-ЭДС (e).

6. Выключить плитку. Следя за температурой “горячего” спая, произвести 6 - 7 измерений ЭДС (п. 5) при других температурах - приблизительно через каждые 10^о.

П р и м е ч а н и е. Пока производятся измерения, температура воды, т.е. “горячего” спая, понизится. В таблицу следует записать температуру, соответствующую концу измерений.

7. По измеренным данным нанести точки на график e = f (D Т), не проводя пока линии самого графика.

8. По формуле

,

которая следует из метода наименьших квадратов, вычислить коэффициент a, совпадающий с тангенсом угла наклона прямой e = f( D Т) к оси абсцисс.

9. По данным п. 8 построить график e = f( D Т). Это и есть градуировочный график, которым можно воспользоваться при измерении температур данной термопарой.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Работа выхода электрона из металла.

2. Контактная разность потенциалов (КРП): а) сущность явления; б) законы Вольта; в) величина КРП;

3. Явление Зеебека: а) сущность явления; б) объяснение явления;

4. Термопара (устройство, градуировка, использование).

5. Сущность явления Пельтье.

6. Сущность явления Томсона.

7.Сущность метода наименьших квадратов для установления эмпирической зависимости между величинами.

8. Преимущества термопары по сравнению с термометрами.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5