Градуировка термопары компенсационным методом

Цель работы. изучить компенсационный метод измерения ЭДС, провести градуировку исследуемой термопары, измерить постоянную термо-ЭДС.

Приборы и принадлежности

1. Прибор универсальный измерительный УПИП – 60М.

2. Исследуемая термопара.

3. Электрический нагреватель.

4. Термометр.

Краткая теория

При соединении двух разнородных металлов возникает разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов.

Итальянский физик А. Вольта установил экспериментально два закона:

Контактная разность потенциалов зависит от химической природы и температуры соприкасающихся проводников.

Контактная разность потенциалов цепи из последовательно соединенных разнородных проводников, имеющих одинаковую температуру, не зависит от химической природы промежуточных проводников, а определяется контактной разностью потенциалов, которая возникает при контакте крайних проводников.

Рассмотрим контакт двух металлов с разными работами выхода. Работой выхода электрона из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на уровне Ферми, чтобы удалить его из металла. Уровнем Ферми в металле называется верхний энергетический уровень, заполненный электронами при температуре 0 К.

Пусть работа выхода электронов из первого металла меньше, чем из второго , а уровень Ферми в первом металле выше, чем во втором (см. рис. 1,а). При контакте двух металлов электроны будут переходить с высоких энергетических уровней первого металла на более низкие энергетические уровни второго металла. В результате уровни Ферми обоих металлов выравниваются и возникают внешняя и внутренняя контактная разности потенциалов (см. рис. 1,б).

Внешняя контактная разность потенциалов между точками А и В определяется разностью работ выхода электронов из металла и равна

, (1)

здесь е – элементарный электрический заряд.

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает между двумя точками разнородных металлов, находящихся в двойном электрическом слое, который образуется в приконтактной области. Этот слой называется контактным. Его толщина в металлах составляет м.

Внутренняя контактная разность потенциалов определяется разными значениями энергий уровней Ферми двух разнородных металлов

. (2)

К возникновению внутренней контактной разности потенциалов приводит разная концентрация электронов в металлах. Внутренняя контактная разность потенциалов зависит от температуры контактов и обусловливает термоэлектрические явления. Внешняя контактная разность потенциалов много больше внутренней контактной разности потенциалов.

Второй закон Вольта можно вывести на примере соединения трех разнородных металлов.

Разность потенциалов в цепи, содержащей последовательно соединенные проводники при одинаковой температуре, равна сумме всех разностей потенциалов, поэтому, учитывая формулы (1) и (2), можно записать

. (3)

Таким образом, из формулы (3) следует, что разность потенциалов в цепи, состоящей из трех проводников, зависит только от характеристик крайних металлов.

В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек (1770 – 1831) открыл экспериментально, что в замкнутой цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников, появляется электрический ток, если температуры контактов разные. Это возникновение термоэлектрического тока называется явлением Зеебека.

Пусть в цепи, состоящей из двух разнородных металлов, спаи имеют разную температуру и . Направление тока указано на рис. 2.

Опыт показывает, что термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) в замкнутой цепи прямо пропорциональна разности температур в контактах

. (4)

Коэффициент называется постоянной термоэлектродвижущей силы. Единица измерения в СИ . Постоянная термо-ЭДС зависит от химической природы металлов.

Из формулы (4) можно определить температуру

. (5)

Выражение (5) применяют при дистанционном измерении температуры с помощью термопары. Термопара – это устройство для измерения температуры, которое состоит из двух сваренных по концам разнородных металлов. Первый спай термопары размещают в месте замера температуры (), а второй спай имеет температуру окружающей среды (). Измеряя термо-ЭДС и температуру , подставляя известное значение постоянной термо-ЭДС (), можно вычислить по формуле (5) значение температуры .

Описание установки

Проградуировать термопару — значит построить графическую зависимость термо-ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев и определить постоянную термопары.

Термо-ЭДС измеряется с помощью потенциометра постоянного тока, в основе устройства которого лежит компенсационный метод. Принципиальная схема, поясняющая суть метода, приведена на рис. 3.

От источника напряжения тока с помощью регулируемого сопротивления R устанавливается рабочий ток в измерительном сопротивлении . Поставив переключатель П в положение «1», можно изменением рабочего тока при неизменном значении добиться равенства ЭДС нормального элемента и падения напряжения на участке АВ, т.е.

. (6)

Сила тока в гальванометре Г будет равна нулю, т.к. токи от источника и нормального элемента направлены противоположно.

Переводя переключатель П в положение «2», можно, изменяя , найти такое сопротивление , при котором падение напряжения на участке АВ будет равно , и гальванометр при этом также покажет нулевое значение

. (7)

Рис. 4

Поделив выражение (7) на (6), можно определить значение неизвестной ЭДС

(8)

Неизвестная ЭДС является искомой термо-ЭДС. В описанном методе измерение ЭДС осуществляется с помощью образцовых мер: нормального элемента и сопротивления . Нормальный элемент, ЭДС которого известна очень точно, служит лишь для градуировки потенциометра, т.е. для установки точного значения рабочего тока. В качестве последнего применяют нормальный элемент Вестона, ЭДС которого: В. Нормальный элемент Вестона ценен тем, что его ЭДС слабо зависит от температуры и сохраняет практически постоянное значение при условии бережного обращения с прибором.

На рис. 4 представлена установка для градуировки термопары. Она состоит из универсального измерительного прибора УПИП - 60 М, термопары, нагревателя и термометра. УПИП - 60 М предназначен для измерения напряжения, а в данном случае для измерения термо-ЭДС компенсационным методом.

На рис. 5 представлена лицевая панель прибора:

1 - клеммы подключения термопары;

2 - ручка реостата «точно»;

3 - ручка реостата «грубо»;

4 - переключатель питания;

5 - клеммы подключения термопары;

6 - ручка реостата «точно»;

7 - ручка реостата «грубо»;

8 - переключатель питания;

9 - переключатель В 12;

10 - ручка секционированного переключателя;

11 - ручка реохорда;

12 - переключатель пределов потенциометра.

Выполнение работы

1. Подключить термопару к зажимам «-» и «mV» универсального измерительного прибора УПИП – 60 М, соблюдая полярность.

2. Установить переключатель «род работы» в положение «потенциометр».

3. Установить переключатель питания в положение «питание включено».

4. Установить переключатель пределов потенциометра в положение «х 0,5» или «х 1».

5. Для установки рабочего тока потенциометра установить переключатель В12 в положение «К».

6. Установить стрелку гальванометра на «0» сначала вращением рукоятки «грубо» при нажатой кнопке «грубо», а затем вращением рукоятки «точно» при нажатой кнопке «точно».

7. Измерить термо-ЭДС термопары при комнатной температуре. Для этого установить переключатель В12 в положение «Н». Вращением рукояток секционного переключателя и реохорда установить стрелку гальванометра на «0» сначала при нажатой кнопке «грубо», а затем при нажатой кнопке «точно». Значение термо-ЭДС в милливольтах будет равно сумме показаний шкал секционного переключателя и реохорда, умноженной на множитель, установленный на переключателе пределов потенциометра.

8. Включить нагреватель и провести замеры термо-ЭДС через каждые 10 ⁰С