LF-E_CW17.pdf

Ć w i c z e n i e 17

CECHOWANIE TERMOPARY

17.1. Opis teoretyczny

Eksperymentalnie stwierdzono, że na styku dwóch metali powstaje napięcie kontaktowe. W celu

wyjaśnienia tego zjawiska należy odwołać się do elektronowej teorii budowy materii Drudego-

Lorentza. Metal zbudowany jest z jonów dodatnich, tworzących sieć krystaliczną oraz z poruszają-

cych się między nimi swobodnych elektronów. Ilość swobodnych elektronów w jednostce objętości

czyli ich koncentracja jest w każdym metalu inna. Po zetknięciu ze sobą dwóch metali w miejscu

styku następuje dyfuzja elektronów z metalu (A) o większej koncentracji elektronów swobodnych

do metalu (B) o mniejszej koncentracji. Wskutek tego procesu pierwszy z metali naładuje się do-

datnio, a drugi ujemnie (rys. 17.1). Ładowanie to nie będzie trwało długo, bowiem po obu stronach

powierzchni S utworzy się „warstwa podwójna”, w której napięcie dojdzie do takiej wartości, że

elektrony na ogół nie będą w stanie jej przebyć. Opuściwszy bowiem warstewkę dodatnio nałado-

waną metalu A, elektrony będą przez nią przyciągane, a odpychane przez warstewkę ujemną metalu

B. W ten sposób napięcie kontaktowe dojdzie do pewnej wartości, której już nie przekroczy.

Zmniejszyć się również nie może, gdyż wówczas elektrony, które w większej liczbie bombardują

powierzchnię graniczną od strony metali A, powiększyłoby napięcie kontaktowe do dawnej warto-

ści. W ten sposób ustala się pewna równowaga: powierzchnię graniczną bombarduje większa liczba

elektronów od strony A, lecz przejście przez tę powierzchnię jest utrudnione tak, że tylko najszyb-

sze elektrony mogą je sforsować; natomiast od strony B – powierzchnię graniczną bombarduje

mniejsza liczba elektronów, lecz jej przejście od tej strony jest ułatwione tak, że stosunkowo więk-

szy odsetek całej liczby elektronów metalu B ją przebywa. Otóż w stanie równowagi tyleż elektro-

nów przechodzi z A do B co z B do A.

Rys. 17.1. Metal A (o większym zagęszczeniu elektronów swobodnych) i metal B (o mniej-

szym zagęszczeniu elektronów swobodnych), zetknięte ze sobą, wytwarzają po obu stro-

nach powierzchni granicznej S warstwę podwójną ładunków + i -.

Wielkości napięcia kontaktowego nie można mierzyć bezpośrednio; można je jednak porównywać

między sobą. Pomocne w tym jest prawo Volty, które mówi, że w obwodzie zamkniętym złożonym

z dowolnej liczby metalowych przewodników, w stałej temperaturze suma wszystkich napięć kon-

taktowych jest równa zeru. Rysunek 17.2 przedstawia przykładowy obwód zamknięty złożony z

trzech metali. Wynika z tego fakt, że gdyby taki obwód rozciąć wewnątrz dowolnego z metali,

wówczas oba pozostałe kawałki będą miały te same potencjały i nie będzie między nimi napięcia.

W szczególnym przypadku, gdy utworzymy obwód zamknięty z dwóch metali (jest to tzw. termo-

para), to napięcia kontaktowe na obu stykach są co do wartości takie same, lecz przeciwnie skiero-

wane. Ich wpływy znoszą się i dlatego włączony w ten sposób miernik napięcia (woltomierz) bę-

dzie wskazywał zero (rys. 17.3a).

U AB

U CA

U BC

U CA = +1V

U AB = +3V

BC = -4V

Rys. 17.2. Obwód zamknięty, złożony z trzech metali: wykres ilustrujący prawo Volty

U AB + U BC + U CA = 0 (liczby podano dla przykładu).

Opisany stan równowagi termopary może się zachwiać, jeżeli podgrzejemy jedno ze złącz (rys.

17.3b). Ze wzrostem temperatury zmieniają się warunki równowagi na tym złączu, tzn. równowaga

wytworzy się przy innym napięciu kontaktowym (mniejszym lub większym). Włączony w obwód

woltomierz będzie mierzył wówczas wartość równą różnicy wartości bezwzględnych napięć kon-

taktowych powstałych na obu stykach

−

(17.1)

T 1

U AB A

T 1

−

U BA

T 1

V T

T 2

U BA

−

T 〉

V T

AB U BA

Rys. 17.3. Schemat ogniwa termoelektrycznego: a)napięcia kontaktowe znoszą się, b) na-

pięcia kontaktowe nie znoszą się.

W ten prosty sposób otrzymaliśmy urządzenie, które zamienia energię cieplną na energię elektrycz-

ną; różnica temperatur na złączach wytwarza różnicę potencjałów. Jest ono specyficznym źródłem

napięcia. Z tych względów tak uzyskane napięcie nazywamy siłą termoelektryczną (przez analogię

do siły elektromotorycznej np. ogniwa).

Jeżeli rezystancja wewnętrzna użytego do pomiaru woltomierza jest wystarczająco duża, to można

przyjąć, że jego wskazanie jest równe powstającej w układzie sile termoelektrycznej. Jej wartość

zależy od rodzaju stykających się metali oraz od różnicy temperatur spojeń. Nie zależy natomiast

od długości przewodników oraz od wielkości powierzchni styku metali. Opisane wyżej zjawisko

nosi nazwę zjawiska Seebecka i zostało przez niego odkryte w 1821 r.

Dla niezbyt dużych różnic temperatur pomiędzy spojeniami (co ma miejsce w niniejszym ćwicze-

niu), możemy przyjąć liniową zależność siły termoelektrycznej od tej różnicy

≅α

( )

−

(17.2)

Stała α nosi nazwę współczynnika termoelektrycznego i oznacza wartość siły termoelektrycznej dla

termopary wykonanej z danej pary metali dla różnicy temperatur między spojeniami równej 1K.

Termoogniwa dostarczają na ogół bardzo małych sił termoelektrycznych. Dlatego też jako źródła

prądu nie znalazły one dotychczas praktycznego zastosowania, mimo wielu pomysłowych wyna-

lazków wykorzystujących zjawisko termoelektryczne.

Natomiast duże zastosowanie znalazły termoogniwa do mierzenia temperatur, zarówno w skali

technicznej, jak i w laboratorium. Posiadając małe rozmiary i masę, a co za tym idzie – małą po-

jemność cieplną, doskonale nadają się do mierzenia temperatur małych ilości ciał, albo np. tempera-

tur w trudno dostępnych częściach aparatury (wewnątrz długiej i cienkiej rurki, w szczelinie itp.).

Oczywiście do tego celu termoogniwo wraz z miliwoltomierzem, lub lepiej z urządzeniem do mie-

rzenia siły elektromotorycznej, musi być wycechowane przez porównanie ze zwykłym termome-

trem albo z termometrem gazowym.

Termoogniwa sporządzone z platyny i ze stopu platyny i rodu (10% Rh) nadają się do mierzenia

wysokich temperatur, dochodzących do 1500 o C. Do mierzenia bardzo niskich temperatur stosuje się

również termoogniwa, np. Cu – konstantan i inne. Termoogniwa Bi-Sb w połączeniu z bardzo czu-

łym miernikiem nadają się do mierzenia bardzo małych zmian temperatur. Poza tym termoogniwa

stosowane są do pomiaru natężenia promieniowania: promieniowanie widzialne, podczerwone itp. ,

padając na specjalnie zaczernione spojenie termoogniwa zostaje pochłonięte, wskutek czego

ogrzewa je i miliwoltomierz pokazuje wychylenie.

17.2. Opis układu pomiarowego

W praktyce do pomiaru siły termoelektrycznej musimy stosować jakiś miernik, którego zaciski,

przewody doprowadzające oraz sam przyrząd pomiarowy mogą być wykonane z innych metali niż

termopara. Jeżeli w obwód termopary włączymy inne przewodniki tak, aby dodatkowe spojenia

miały tę samą temperaturę, to siła termoelektryczna nie ulegnie zmianie (co wynika z prawa Volty).

Aparatura pomiarowa składa się z termopary Fe-konstantan (40% Ni i 60% Cu), czułego miliwol-

tomierza cyfrowego i naczynia Dewara. Jako temperaturę odniesienia przyjmujemy 273K, którą

łatwo uzyskać wykorzystując mieszaninę wody z lodem. Aby zabezpieczyć tę mieszaninę przed

poborem ciepła z otoczenia, umieszcza się ją wewnątrz naczynia Dewara (w termosie).

Jedno spojenie termopary umieszcza się w mieszaninie wody z lodem (1), drugie zaś w pojemniku

(2), w którym możemy zmieniać temperaturę w sposób kontrolowany. Pojemnik ten stanowi termo-

stat. Przy włączeniu termostatu do sieci, zostaje uruchomiony silnik poruszający mieszadełko we-

wnątrz termostatu, służące do wyrównywania temperatury kąpieli, jednocześnie zostaje stworzona

możliwość włączenia systemu podgrzewającego kąpiel termostatu. Włączenie podgrzewania odby-

wa się za pomocą drugiego włącznika. Dla określenia temperatury kąpieli termostatu służy termo-

metr rtęciowy zamocowany w otworze pokrywy. Termostat posiada również układ do chłodzenia

kąpieli składający się ze spiralnie zwiniętej rurki, umieszczonej wewnątrz termostatu. Układ chło-

dzenia podłączony jest do kranu sieci wodociągowej za pomocą węża gumowego. Drugi wąż służy

do odprowadzania wody chłodzącej. Przy chłodzeniu termostatu należy wyłączyć podgrzewanie i

nie wyłączając silnika lekko odkręcić kran wodociągowy. Szybkość chłodzenia kąpieli można regu-

lować za pomocą zwiększenia lub zmniejszenia przepływu wody. Szybkość podgrzewania kąpieli

można również regulować przez równoczesne włączenie chłodzenia.

17.3. Przebieg pomiarów

1. Zaznajomić się z przyrządami i ich przeznaczeniem.

2. Umieścić jedno spojenie termopary w topniejącym lodzie, drugie w kąpieli o zmiennej tempera-

turze (termostat).

3. Podłączyć termoparę do zacisków miliwoltomierza.

4. Uzyskać od wykładowcy pozwolenie na uruchomienie aparatury.

5. Podłączyć napięcie do miliwoltomierza i termostatu.

6. Uruchomić termostat, włączyć podgrzewanie. Szybkość podgrzewania kąpieli powinna być nie

większa niż 1K na minutę. Jeśli kąpiel termostatu nagrzewa się szybciej, nieznacznie odkręcić kran,

puszczając w ten sposób przez układ chłodzenia słaby strumień wody.

7. Notować wskazania miliwoltomierza i termostatu rtęciowego co 2 – 3 K, aż do uzyskania tem-

peratury 70 o C. W celu oszacowania błędów zanotować dodatkowo wartość temperatury T 1 * dla

wybranej dowolnie siły termoelektrycznej V o .

8. Po uzyskaniu temperatury 70 o C (lecz nie wyższej !) wyłączyć podgrzewanie. Odkręcić kran na

tyle, aby szybkość chłodzenia była taka sama jak szybkość podgrzewania.

9. Notować wskazania miliwoltomierza dla tych samych temperatur co przy podgrzewaniu, aż do

uzyskania temperatury jaką miała kąpiel przed rozpoczęciem pomiarów. Zanotować dodatkowo

wartość temperatury T 2 * dla uprzednio wybranej siły termoelektrycznej V o .

17.4. Opracowanie wyników pomiarów.

1. Dla każdej temperatury wyznaczyć średnią wartość z dwóch wskazań miliwoltomierza otrzy-

manych przy podgrzewaniu i chłodzeniu kąpieli.

2. Wykonać wykres zależności otrzymanych w poprzednim punkcie wartości wskazań miliwolto-

mierza od temperatury. Zgodnie ze wzorem (17.2) będzie to prosta.

3. Wyznaczyć współczynnik termoelektryczny z kąta nachylenia wykreślonej prostej.

4. Obliczyć graniczny błąd względny współczynnika termoelektrycznego dla wybranej temperatu-

∆α

∆T

∆V

T − , ∆V - bezwzględ-

ny błąd pomiaru siły termoelektrycznej (dokładność przyrządu pomiarowego).

5. Obliczyć błąd bezwzględny ∆α .

gdzie: ∆T - pomiarowy błąd temperatury kąpieli. Obliczamy go jako

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: