Градуировка термоэлемента и определение его удельной термоэлектродвижущей силы

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №36

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОЭЛЕМЕНТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО УДЕЛЬНОЙ ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ

Ц е л ь р а б о т ы: ознакомление с методом градуировки термопар, исследование зависимости термо ЭДС от температуры термопар, определение удельной термо ЭДС.

П р и б о р ы: две термопары, два сосуда с водой, термометр, магазин сопротивлений, гальванометр, электроплитка, 5 проводов.

 

Теория метода

Современная теория твердого тела позволяет рассматривать металл как потенциальную яму(потенциальный ящик), заполненную свободными электронами. Электроны располагаются по два на каждом энергетическом уровне. Последний занятый энергетический уровень (счет идет от дна ямы) называется уровнем Ферми.

	Чтобы покинуть металл электрон должен совершить работу выхода. Для этого он должен обладать энергией, равной глубине потенциальной ямы. Металлы различаются между собой глубиной потенциальной ямы Авых и концентрацией свободных электронов. Если привести в контакт два различных металла, то начинается диффузия электронов, которая приведет к образованию контактной разности потенциалов.
	Электроны первого металла с малой работой выхода А будут интенсивнее покидать его, поэтому металл I зарядится положительно, а из металла 2 электроны уходят менее интенсивно т.к. работа выхода А2 больше А1, поэтому второй

металл зарядится отрицательно. Как только уровни Ферми сравняются, установится динамическое равновесие между электронами обоих металлов. Между металлами возникнет контактная разность потенциалов Δφ = -

А₁ и А₂ - работа выхода электронов из металлов

e – заряд электрона

k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10^-23

Т - абсолютная температура спая

n ₀₁ и n ₀₂ – концентрация электронов соответствующих металлов.

Согласно формуле (1) контактная разность потенциалов зависит от свойств металла и температуры. В замкнутой цепи, составленной из нескольких металлов, спаи которых находятся при одинаковых температурах, невозможно возникновение ЭДС за счет только контактной разности потенциалов.

Рис.1

Если же спаи находятся при различных температурах, то возникнет термо ЭДС, величина которой пропорциональна разности температур. Два металла М и N образуют спаи I и II, находящиеся при температурах Т1 и Т2 соответственно.(рис.1)

Для спая I Δφ = -

Для спая II Δφ = -

тогда термо ЭДС, возникающая в замкнутой цепи будет равна

e_Т = Δφ₁ + Δφ₂ =

e_Т = с(Т₁-Т₂)

где с = - удельная термо ЭДС численно равная электродвижущей силе, возникающей в замкнутой цепи при разности температур при 1К

Термоэлектрические явления в металлах используется для измерения температур, от самых низких до нескольких тысяч градусов.

Вывод рабочей формулы.

Сила термотока

где e_Т - термо ЭДС

R₀ – сопротивление термопары, гальванометра, проводов

n₁ - показания гальванометра

a - цена деления гальванометра по току

При включенном магазине (см. рис.2) R

Тогда e_Т =

с =

где Т₁ – температура горячего спая

Т₂ – температура холодного спая

R - сопротивление магазина

n₂ – показания гальванометра при включенном магазине.

Порядок работы

1.Собрать цепь по схеме рисунка 2. 2. Магазин сопротивлений поставить на нуль. 3. Налить в сосуды воды одинаковой температуры. Опустить в них термопары. При этом стрелка гальванометра должна быть на нуле. 3. Подогревают один сосудов и снимают показания гальванометра через 0,5 деления

и записывают соответствующие им значения температуры.

5. При установлении стрелки на последнее деление гальванометра (n₁) включают магазин сопротивления на 100Ом и записывают новое показание гальванометра (n₂). Температура горячего спая при n₁ и n₂ должна быть постоянной, поэтому плитку выключаем заранее когда стрелка гальванометра установится на деления 3,5,6. Все данные занести в таблицу.

 

Показания гальванометра		0,5	1 … … …
Температура
R=	T1=	T2=	n1=	n2=

 

7. По этим данным рассчитать с – удельную термо ЭДС.

8. Построить график зависимости n от t.

 

Контрольные вопросы

1. Дать определение работы выхода электрона из металла.

2. Каковы причины возникновения контактной разности потенциалов?

3. Два закона Вольта

4. Что такое электродвижущая сила? Вывод формулы термо ЭДС.

5. Что такое удельная термо ЭДС?

6. Что представляет собой термопара?

7. Применение термопар.