Elektronika i Telekomunikacja
Grupa C5
Przyrządy:
Termopara żelazo-konstantan, galwanometr, naczynia na lód i wodę, źródło ciepła, termometr, dodatkowy rezystor.
Wprowadzenie:
Ogniwo termoelektryczne stanowią dwa odcinki drutu sporządzone z różnych metali, spojone końcami. W przypadku wywołania różnicy temperatur między spojeniami w obwodzie płynie prąd. Siła elektromotoryczna, która ten prąd wywołuje nosi nazwę siły termoelektrycznej. Powstawanie siły termoelektrycznej tłumaczy teoria elektronowa metali. Zakłada ona, że w metalach pewna liczba elektronów jest niezwiązana z atomami, tworząc tzw. gaz elektronowy. Liczba swobodnych elektronów w jednostce objętości czyli ich koncentracja jest różna dla różnych metali. Jeśli więc zetkniemy dwa metale o różnej koncentracji swobodnych elektronów, nastąpi przechodzenie elektronów z jednego metalu do drugiego, tak długo aż w warstwach najbliższych zetknięcia, koncentracja ich się nie wyrówna Metal zawierający więcej elektronów traci je na korzyść uboższego i dzięki temu w miejscu zetknięcia wytwarza się skok potencjału hamujący dalszy przepływ elektronów. Gdy obydwa spojenia mają tę samą temperaturę, skoki potencjałów na obydwu spojeniach są takie same tylko skierowane w przeciwne strony. Z chwilą gdy ogrzejemy jedno ze spojeń energia kinetyczna elektronów wrasta i więcej ich przechodzi do metalu uboższego w elektrony. Napięcie na ogrzewanym spojeniu staje się wyższe niż na spojeniu zimnym i zaczyna płynąć prąd.
Na termoelementy mogą być stosowane praktycznie wszystkie metale, ale w praktyce wykorzystuje się grupę metali dobranych parami tak aby otrzymać możliwie duże napięcia i powtarzalną charakterystykę termometryczną . Do częściej stosowanych termoelementów można zaliczyć:
- platynarod – platyna
- niklochrom – nikiel
- żelazo – konstantan
- miedź – konstantan
Poprawny pomiar wymaga utrzymywania wolnych końców w stałej temperaturze odniesienia, najlepiej w 0˚C. W celu oddalenia wolnych końców od miejsca pomiaru temperatury stosuje się przewody kompensacyjne.
Przewody kompensacyjne do termoelementów powinny być wykonane z tego samego materiału co termoelement, z którym mają być połączone lub z materiałów zastępczych. Charakterystyki termometryczne przewodów kompensacyjnych muszą być jednak zgodne z charakterystykami odpowiednich termoelementów.
Dokładniejsze pomiary temperatury wymagają eliminowania zmian temperatury wolnych końców. Jedną z podstawowych metod jest termostatyzacja. Wymaga ona stosowania termoelementu o dwóch spoinach: spoinie pomiarowej i spoinie odniesienia.
Wielkość siły termoelektrycznej powstającej w obwodzie termopary zależy od różnicy temperatur obu spojeń. Dla niektórych metali zależność ma w przybliżeniu charakter liniowy i może być zapisana jako:
(1)
gdzie: t0 – temperatura jednego spojenia
t1 – temperatura drugiego spojenia
α – współczynnik charakterystyczny dla każdej pary materiałów określający czułość termopary (wartość α określa jaka siła termoelektryczna powstaje w obwodzie przy różnicy temperatur między spojeniami wynoszącej 1˚
Jak wiadomo SEM występującą w obwodzie można zapisać jako:
(2)
gdzie I- natężenie płynącego prądu
R0 – rezystancja całkowita obwodu (rezystancja termopary, galwanometru i przewodów łączących)
Widać, że jeśli rezystancję R0 przyjmiemy za wielkość stałą to natężenie płynącego prądu I jest proporcjonalne do siły termoelektrycznej i tym samym do różnicy temperatur między spojeniami.
Jeśli do obwodu dołączymy dodatkowy rezystor R1 to natężenie prądu zmieni się do wartości I1. Można zapisać wówczas:
(3)
Z równań (2) i (3) mamy:
(4)
Porównując równania (4) i (1) można obliczyć współczynnik termopary:
(5)
Wykonanie ćwiczenia:
· Cechowanie termopary:
- jedno spojenie termopary umieścić w naczyniu z wodą, drugie w naczyniu z lodem
Naczynie z lodem
Termometr
Naczynie z wodą
Grzejnik
- do naczynia z wodą włożyć termometr
- stopniowo podgrzewać wodę i co 10˚ notować wskazania galwanometru
Numer
Pomiaru
Temperatura spojenia ogrzewanego t1[˚C]
Temperatura spojenia chłodzonego t0[˚C]
t=t1-t0
[˚C]
Natężenie
[µA]
Zakres
1
20
Ogrzewanie wody
0
8,55
10
2
30
10,8
3
40
20,5
4
50
24,0
5
60
27,0
6
70
30,5
100
7
80
41,0
8
90
46,0
9
99
barbara1964