Лабораторная работа N3.13

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.13
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЗЕЕБЕКА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить явление возникновения термо-э.д.с.
2. Проградуировать термопары медь-константан и хромель-копель.
3. Определить коэффициенты термо-э.д.с. для исследуемых термопар.
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАБОТЫ
Эффект Зеебека - возникновение э.д.с. в электрической цепи, состоящей из последовательно
соединенных разнородных металлов, полупроводников или полупроводника и металла, если
температура спаев различна. В простейшем случае, когда цепь состоит из двух различных
материалов, она носит название термопары. Термопары широко применяются для измерения
температур в диапазоне, включающем отрицательные, и до температур порядка 1000°С и выше.
Термо-э.д.с. термопары складывается из электродвижущих сил обоих ее спаев. Э.д.с. спая
зависит от природы контактирующих веществ и от температуры. Если обозначить ее через
ε (Т), то э.д.с. термопары представится разностью
ε (T1 ) − ε (T2 )
где T1 - температура более нагретого, а T2 - менее нагретого спаев.
dε
называется коэффициентом термоэлектродвижущей силы.
dT
Коэффициент α ,так же, как и функция ε (T ) , является характеристикой обоих элементов
термопары. На практике это создает определенные неудобства, поэтому условились величину
α
измерять по отношению к одному и тому же металлу - свинцу. Следовательно,
коэффициент α данного металла дает термо-э.д.с. для термопары, у которой одна ветвь из
указанного металла, а другая - из свинца. Коэффициент термо-э.д.с. для термопары,
составленной из произвольных металлов I и 2 определяется формулой
α12 = α1 − α 2
где α1 и α 2 - коэффициенты термо-э.д.с. металлов I и 2 по отношению к свинцу. Для примера
приведем значения α для сплавов хромель ( α1 ) и алюмель ( α 2 ), широко применяемых в
качестве термоэлементов. Для них: α1 = 24 мкВ/°С и ( α 2 )= -38 мкВ/ С.
Производная
α=
Если разность температур более нагретого (Т1) и менее нагретого (T2) спаев невелика, то
имеет место линейная зависимость между термо-э.д.с. термопары и разностью температур спаев
ε = α (T1 − T2 )
Следовательно, в этом диапазоне температур коэффициент термо-э.д.с. термопары
может быть определен по формуле
α=
ε
T1 − T2
Схема лабораторной установки приведена на рис. 25 . Для исследования взяты термопары:
МК - медь-константановая, ХК - хромель-копелевая. Разность температур Δ Т между горячим и
холодным спаями каждой из термопар создается за счет того, что один спай каждой термопары
находится В тепловом контакте с нагревателем (песочной баней), а другой - при температуре
окружающей среды.
I
I
mV
II
II
МК
Песочная баня
ХК
ИТ
Сеть
МПП
Рис.25
Разность температур Δ Т между горячим и холодным спаями определяется с помощью
измерительной термопары ИТ и пирометрического милливольтметра типа МПП, а термо-э.д.с.
исследуемых термопар - милливольтметром, подключаемым к термопарам МК и ХК.
ЗАДАНИЕ
I. Изучить лабораторную установку, методику измерений.
2 Включить в сеть милливольтметр и нагреватель (песочную баню). Записать показания
прибора МПП в °С по нижней шкале. (МПП показывает непосредственно разность
температур)
3. Исследовать зависимость термо-э.д.с. термопар МК и ХК от разности температур Δ Т
между спаями в интервале от 0 до 150 0 с. Температуру фиксировать через каждые 10°С.
Величина измеряемой э.д.с. определяется по шкале милливольтметра. Измерения проводить
параллельно для двух термопар, переключая схему из положения I в положение II.
4. Отключить приборы от сети.
5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.
6. Построить градуировочные графики термопар МК и ХК, т.е. зависимость ε (Т ).
7. По графикам, вычислить коэффициенты термо-э.д.с. α каждой из термопар и сравнить
полученные значения с табличными данными.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Из каких элементов состоит лабораторная установка, их назначение и взаимодействие?
2. Каковы механизмы, обусловливающие возникновение термо-э.д.с. в металлах?
3. Почему полупроводниковые термоэлементы имеют значительно большую термо-э.д.с.,
чем термоэлементы из металлов?
4. Чем объяснить возможное различие между измеренными значениями коэффициентов
термо-э.д.с. и табличными данными для исследованных тзрмопар?
Литература [l, 5, 8, 14].