Изучение эффекта Зеебека и градуировка термопары

 

Принадлежности: термопара, милливольтметр, два сосуда, нагреватель,магазин сопротивлений.

 

Краткая теория

Концентрация электронов (число электронов в единице объема) в разных металлах различна. При соприкосновении различных металлов вследствие теплового движения электроны переходят из одного металла в другой. Металл, в который переходит больше электронов, заряжается отрицательно, другой - положительно. Возникающая контактная разность потенциалов обусловлена двумя причинами:

1) различием в работах выхода электронов из металлов C и В (рис.1);

2) различием в концентрации свободных электронов n_C и n_B.

 

Рис. 1

 

Если из этих металлов составить замкнутую цепь и места соединения (спаев) поддерживать при различных температурах Т₁ и Т₂, то в цепи возникает ЭДС. «Этот эффект называется термоэлектрическим или эффектом Зеебека. Такая цепь называется термопарой (рис.2). Для этой цели можно использовать как металлы, так и полупроводники.

 

Рис. 2

 

Теоретическое рассмотрение явления термоэлектричества в классической физике приводит к следующему выражению для ЭДС:

Здесь: k - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, С – чувствительность термопары. Её называют так же термосилой. Все термосилы дают для термопар, у которых один проводник всегда один и тот же – платина.

Термосилы некоторых материалов по отношению к платине (mV/100⁰):

Кремний - +44,8 Алюмель - -1,29

Хромель - +2,8 Константан - -3,4

Железо - +1,9 Копель - -3,4

Платинородий - +0,64

 

Широко используемые на практике термопары:

платина-платинородий (используется в качестве стандартной термопары),

медь-константан (от –185 до 350⁰С),

хромель-алюмель (от 200 до 1200⁰С),

хромель-копель (от 0 до 1000⁰).

Цель работы: градуировка термопары и определение ее чувствительности.

 

Описание установки

Внешний вид установки представлен на рис. 3.

Каждый спай термопары погружен в сосуд с водой. Температура спая в одном сосуде (М) поддерживается постоянной (равна комнатной). Другой сосуд нагревается электроплиткой. При измерении температуры в сосудах воду следует перемешивать мешалкой.

 

Рис. 3

 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить элементы измерительной схемы, записать их паспортныеданные.

2. Собрать измерительную схему (рис. 4).

 

3. Произвести градуировку термопары, т.е. снятьзависимость , измеряя температуру в сосуде N и ток всхемечерез каждые 5 градусов (табл. I).

4. Для расчета чувствительности термопары следует при одной и той же температуре (лучше при температуре кипения) записать показания гальванометра дважды: n₁ - когда в схему не включено добавочное сопротивление R (100 ом), n₂ - когда включено (рис. 4).

 

Изсхемы следует:

Здесь: - термоэдс; R₀ - начальное сопротивление схемы; I₁ - ток в цепи, развиваемый термоэдс; К_I – цена деления гальванометра.

Здесь: I₂ - ток, развиваемый этой же термоэдс в цепи с добавочным R. Исключая R₀ из этих уравнений, получим:

или

 

 

Рис. 4

 

Таблица I

 

t1 = ^0C	N1 (дел.)	n2 (дел.)	t2 - t1 (^0C)	e×10^-5 (B)	C×10^-5 (B/градус)
t2

 

 

Обработка результатов

1. Построить на миллиметровке зависимость , для чего каждое значение разности температур нужно умножить на С, чтобы получить e.

2. Рассчитать погрешность измерения.

 

Контрольные вопросы

1. Эффекты Зеебека и Пельтье?

2. Объясните понятия работа выхода и контактная разность потенциалов?

3. Как влияет "работавыхода" на термоэдс?

3. Чтотакое термопара?

4. Дайте определение чувствительности термопары.

5. Где применяются термопары?

 

Литература

1. Яворский Б.Н. и др. Курс физики. Ч. II. стр. 139-147.

2. Кортнев А.Б. и др. Физпрактикум, стр. 245-249.

 

Примечание: Для поддержания постоянной температуры холодный спай погружается в тающий лед (t₁ = 0°С), помещенный в сосуд Дыоара или в нуль-термостат. Горячий спай погружается в термостат, снабженной электронагревателем, мешалкой, измерительным и контактным термометром (рис. 5).

 

Рис. 5

Лабораторная работа № 6

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

 

Краткая теория

Земля представляет собой естественный магнит, полюса которого располагаются недалеко (2300 км.) от географических полюсов.

Магнитный полюс Земли, расположенный на севере, называется южным магнитным полюсом. На юге находится северный магнитный полюс. Через магнитные полюсы Земли можно провести линии, называемые магнитными меридианами. Магнитные меридианы не совпадают с географическими. Угол между ними называется магнитным отклонением (α). (склонением?)

 

 

Рис. 1

Линии напряженности земного поля выходят из Северного магнитного полюса и входят в Южный (рис. 1).

Если в какой либо точке Земли поместить магнитную стрелку, которая может поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то она расположится по направлению вектора напряженности магнитного поля Земли, т.е. по касательной к силовой линии. На полюсах стрелка будет перпендикулярна земной поверхности, на экваторе – параллельна, а во всех остальных точках – под некоторым углом к поверхности Земли.

Угол между направлением напряженности магнитного поля в данной точке и горизонтальной плоскостью называется магнитным наклонением (θ).

 

 

Рис. 2

Вектор напряженности земного поля разложить на две составляющие: горизонтальную Η_г и вертикальную – Ζ (рис. 2).

Стрелка компаса не может вращаться в вертикальной плоскости и устанавливается по направлению горизонтальной составляющей в плоскости магнитного меридиана.

Горизонтальная составляющая - Η_г , вертикальная составляющая – Ζ, магнитное отклонение α и наклонение θ называются элементами земного магнетизма.

Магнитное поле Земли не постоянно и испытывает, кроме вековых изменений, происходящих вследствие смещения магнитных полюсов, суточные колебания, амплитуда которых то возрастает, то убывает одновременно с изменением магнитного состояния Солнца. Иногда обнаруживаются резкие и весьма значительные изменения магнитного поля Земли, т.н. «магнитные бури», которые совпадают с извержениями Солнцем потоков ионизированных газов.

Для изучения магнитного поля Земли составляют "магнитные карты". Напряженность магнитного поля Земли невелика: от 0,34 Э. на экваторе до 0,66 Э. у полюсов. На широте Новосибирска горизонтальная составляющая приблизительно 0,16 Эрстед (15,6 А/м). Может быть не напряжённость, а индукцию и в Тесла.

Происхождение магнитного поля Земли до настоящего времени не выяснено.

Теоретическое обоснование метода измерения - Η_г

В данной работе величина горизонтальной составляющей земного магнитного поля Η_г определяется при помощи прибора, называемого тангенс - гальванометром. Он состоит из кругового проводника, образующего n витков, плотно прилегающих друг к другу и расположенных вертикально. В центре витков в коробке под стеклом на вертикальной оси укреплена магнитная стрелка. Положение стрелки определяется значением угла, отсчитываемого по лимбу прибора. В отсутствие тока стрелка устанавливается в направлении магнитного меридиана.

Если по виткам пропустить ток, то возникает магнитное поле, напряженность которого может быть найдена по закону Био – Савара – Лапласа (для системы n круговых токов):

(1)

 

где n – число витков, I – ток, текущий по виткам, r – радиус витков.

Вектор поля тока – Η_т направлен перпендикулярно плоскости витков (направление можно определить по правилу буравчика).

Если плоскость витков установить в плоскости магнитного меридиана Земли, то горизонтальная составляющая магнитного поля Η_г и поле кругового тока - Η_т в центре витков окажутся перпендикулярны друг другу.

Стрелка установится по направлению равнодействующей сил этих полей.

 

 

 

Рис. 3

 

При этом угол между плоскостью магнитного меридиана и направлением, по которому установиться стрелка (рис. 3), будет определяться соотношением:

(2)

Тогда из (1) и (2) горизонтальная составляющая земного магнитного поля выразится формулой:

(3)

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.

Собрать схему, изображенную на рис. 4, где Т – тангенс-гальванометр, Б – источник питания, r – реостат, А – миллиамперметр, П – переключатель.

 

Рис. 4

 

2. Установить тангенс-гальванометр в плоскости магнитного меридиана Земли (плоскость витков должна совпадать с направлением магнитной стрелки при разомкнутой цепи).

3. Замкнуть переключатель П и с помощью реостата r установить такой ток в цепи тангенс - гальванометра, чтобы стрелка отклонилась на некоторый угол φ₁, причем 30º< φ₁<60º.

4. При помощи переключателя П изменить направление тока, проходящего через витки, и записать новое отклонение стрелки φ₂ (стрелка должна отклониться в обратную сторону). Перемена направления тока позволяет избавиться от ошибки, создаваемой неточностью установки прибора по магнитному меридиану.

5. Такие же измерения произвести при двух других значениях тока. Угол отклонения стрелки все время должен быть заключен в пределах 30º< φ <60º.

6. При каждом значении тока рассчитать по формуле (3) значение Η_г. Из нескольких результатов найти среднее значение Η_ср и определить абсолютную и относительную ошибки.

7. Данные измерений и расчетов записать в таблицу:

 

№	I, А	φ1	φ2	φср	Ηг	Ηср	ΔΗср	E%

 

8. Окончательный результат представить в форме:

;

 

Дополнение: В данной работе погрешности находят, исходя из нескольких результатов вычислений. Однако, чтобы выяснить условия, при которых следует производить опыт, полезно рассмотреть формулу погрешности, которую получают после логарифмирования и дифференцирования формулы (3):

(4)

Из формулы (4) следует, что третий член будет иметь минимальное значение тогда, когда φ = 45º.

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение элементам земного магнетизма.

2. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.

3. Объясните принцип суперпозиции магнитных полей. Где он используется в работе?

4. Чему равны напряженность и индукция магнитного поля в центре кругового тока.

5. Как выглядит магнитное поле катушки?

6. В каких единицах измеряется напряженность магнитного поля в системах СИ и СГСМ? Какая связь между ними?

7. Что такое поток магнитной индукции катушки?

8. Объясните устройство и принцип действия тангенс - гальванометра и укажите, для каких практических целей он применяется.

9. Почему измерения наиболее точны при углах отклонения близких к 45º?

Литература

1. И.В. Савельев, Курс общей физики, т.2;

2. Б.М. Яворский, Курс физики, т.2;

3. Н.Н. Евграфова, В.Л. Каган, Руководство к лабораторным работам по физике.

 

Лабораторная работа № 7