лабораторная работа. Лабораторная работа 7

• Название: Лабораторная работа 7
• Анкор: лабораторная работа
• Дата: 20.09.2021
• Размер: 177.93 Kb.
• Имя файла: Laboratornaya_rabota_7e.docx
• Тип: Лабораторная работа; #234432

Лабораторная работа №7

Градуировка термопары и определение термоЭДС электродинамическим способом.

Цель работы: Ознакомиться электродинамическим методом. Измерить

ЭДС термопары

Принадлежности: Термопара (константан-железо), 2-е колбы с водой, термометр, нулевой гальванометр, электроплитка, магазин сопротивлений.

Введение:

В научных исследованиях и технике широко используются термоэлектрические термометры для измерения очень низких температур (близких к абсолютному нулю), средних и высоких (до 1600⁰ С).

Для изготовления термоэлектрических термометров используются термоэлементы (термопары), обладающие большой ЭДС, малым внутренним сопротивлением, линейной зависимостью между ЭДС и температурой, химической устойчивостью при высоких температурах и т.д. Наиболее надежные результаты дает термопара, изготовленная из чистой платины и сплава платины с родием (90% Pt, 10% Ro). Такую термопару принято называть нормальной термопарой. С ее помощью можно измерять температуры от 200⁰ до 1600⁰ С. Примеряются и другие термопары: золото – платина, железо – константан, никель – хром, висмут – платина и др. В термопаре при соприкосновении двух различных металлов на поверхности контакта возникает контактная разность потенциалов.

Можно расположить металлы в следующий ряд (ряд вольты), в котором при соприкосновении двух различных металлов каждый предыдущий металл заряжается положительно, а последующий – отрицательно:

+

Al

Zn

Sn

Cd

Pb

Sb

Be

Hg

Fe

Cu

Ag

Au

Ft

-

Вольт показал, что:

1. 
   Сумма контактных разностей потенциалов во всякой замкнутой цепи равна нулю,
   
2. 
   Разность потенциалов во всякой металлической цепи на ее концах зависит только от крайних звеньев цепи и не зависит от промежуточных звеньев.
   

Если в замкнутой цепи контакты (спаи 1 и 2) имеют разные температуры, то в ней возникает электродвижущая сила, которая носит название термоэлектродвижущей силы (термоЭДС). Для небольших интервалов температур ЭДС термоэлементов пропорциональна разности температур спаев, т.е.:

.

Величина с, называемая постоянной термопары, является характерной величиной для каждой термопары, которая численно равна термоЭДС термопары при разности температур спаев в 1⁰ С.

Так, например, термоЭДС термопары «константан - железо» при разности температур спаев в 1⁰ С равна 6_*10⁷ В в интервале температур 0⁰ -100⁰ С. Для повышения термоЭДС соединяют термоэлементы последовательно в термобатарею, причем все четные спаи нагревают, а нечетные – охлаждают.

К электрической цепи, в которой в качестве источника ЭДС использован термоэлемент, применим закон Ома. Ток в цепи термоэлемента равен:

,

где:

1. 
   r- внутреннее сопротивление термопары;
   
2. 
   Е - термоэлектродвижущая сила;
   
3. 
   R - внешнее сопротивление цепи.
   

Если термоэлектрический термометр состоит из последовательно включенных термопар – термобатареи, к которой включен гальванометр с добавочным сопротивлением R , то при нагревании четных и нечетных спаев термобатареи

до разности температур в термобатареи создается термоЭДС

,

которая вызывает в этой цепи ток, равный:

,

где:

1. 
   r- внутреннее сопротивление источника термоЭДС;
   
2. 
   r_g- внутреннее сопротивление гальванометра..
   

Так как величины n, с, R , r_g , r – являются постоянными, то показания гальванометра в схеме зависят исключительно от разности температур спаев термобатареи. Шкала гальванометра градуируется в градусах шкалы Цельсия и указывается разность температур спаев термобатареи. Пределы измерения разности температур зависят от величины добавочного сопротивления R .

При определении термоэлектрическим термометром температуры какого-либо тела к его показаниям необходимо прибавлять температуру холодных спаев, чтобы получить температуру исследуемого тела.
Задание №1.

Изучить технический паспорт гальванометра. Какова цена его деления? Каковы пределы измерения по току? Каково внутреннее сопротивление? Каковы пределы измерения разности потенциалов?

Изучить магазин сопротивлений, используемый для добавочного сопротивления R .



Рис 1

Задание №2.

Смонтировать термоэлектрический термометр из гальванометра, термобатареи и добавочного сопротивления. Проградуировать шкалу гальванометра в градусах. Результаты градуировки представить построенным на миллиметровой бумаге графиком, откладывая по оси абсцисс число делений гальванометра, на которое отклонилась стрелка гальванометра, а по оси ординат – соответствующие разности температур спаев (рис.2).


Задание №3.

Во время кипения воды определить постоянную термопары в интервале температур от комнатной до кипения:

.

Термо ЭДС определяют электродинамическим методом: изменяя величину добавочного сопротивления на магазине (дважды) R₁ и R₂ и измеряя соответственно токи I₁ и I₂в цепи, можно записать на основе закона Ома следующие два уравнения:

и ,

где :

1. 
   r- сопротивление источника тока, амперметра и соединительных проводов;
   
2. 
   Е - термоЭДС батареи.
   

Решая эту систему уравнений, получаем следующую формулу для расчета термоЭДС:

.

Таблица к заданию №2.

№№	Температура холодного спая t1, 0С	Температура горячего спая t2, 0С	Разность температур (t2 - t1) 0С	n – показания стрелки гальванометра
1	25	32	7	1
2		43	18	2
3		53	28	3
4		63	38	4
5		74	49	5
6		86	61	6
7		98	73	7
8		110	85	8
9		122	97	9
10		135	110	10

Таблица к заданию №3.

Величина добавочного сопротивления		Величина тока в цепи			Е, мВ		С
R1, Ом	R2, Ом		I1мкА	I2, мкА
300	900		3,6	1,8		2,16		0,000027

Вопросы для допуска к лабораторной работе:

1. 
   Что такое термопара? Изложите принцип ее работы.
   

Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники.

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком в 1821 г.
Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

2. 
   Нарисуйте схему соединения термопар и схему для проведения эксперимента.
   

3. 
   В чем состоит принцип электродинамического метода определения ЭДС?
   

Сущность метода заключается в измерении ЭДС обратимой электрохимической цепи, потенциалообразующая реакция которой совпадает с исследуемой реакцией.

Сравнение электродвижущих сил двух элементов может быть практически сведено к сравнению двух сопротивлений, использованных при компенсационных измерениях.

Метод компенсации для определения ЭДС обладает рядом важных преимуществ. Во-первых, сила тока через элементы, ЭДС которых сравниваются между собой, близка к нулю. Точность измерений ограничивается ценой деления гальванометра, которая соответствует 10^-6 – 10^-7 А у различных типов стрелочных гальванометров. Поэтому падения напряжения внутри элемента, снижающего значение измеренной на полюсах элемента разности потенциалов, практически нет. Не существенным является и падение напряжения в проводах, соединяющих элемент с измерительной схемой. Во-вторых, при компенсационном методе гальванометр работает как нулевой прибор и градуировка его шкалы в результат измерений не входит. Наконец, величина ЭДС вспомогательной батареи Е также не входит в окончательный результат. Необходимо лишь, чтобы величина ее ЭДС во время измерений была постоянной.

4. 
   При каких температурах должны находиться холодный и горячий спаи?
   

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар. Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Наиболее надежные результаты дает термопара, изготовленная из чистой платины и сплава платины с родием (90% Pt, 10% Ro). Такую термопару принято называть нормальной термопарой. С ее помощью можно измерять температуры от 200⁰ до 1600⁰ С.

5. 
   По какому принципу будете подбирать добавочное сопротивление цепи в электродинамическом методе измерения ЭДС
   

Пределы измерения разности температур зависят от величины добавочного сопротивления R .

При определении термоэлектрическим термометром температуры какого-либо тела к его показаниям необходимо прибавлять температуру холодных спаев, чтобы получить температуру исследуемого тела
Вопросы для защиты лабораторной работы:

1. 
   Контактная разность потенциалов в зависимости от работы выхода электронов из металла.
   

Для объяснения этого явления рассмотрим контакт двух различных металлов 1 и 2, имеющих работы выхода А1 и А2, причем А1<А2. Очевидно, что свободным электронам второго металла труднее покинуть его пределы, чем электронам первого металла. Поэтому при хаотическом тепловом движении количество свободных электронов, переходящих из первого ме­талла во второй в единицу времени будет больше, чем из второ­го в первый. В результате этого первый металл зарядится поло­жи­тельно, второй - отрицательно (рис.).



Возникающая разность потенциалов   создает электрическое поле напряженностью Е, которое затрудняет дальнейший переход электронов из 1 в 2. Передвижение электронов прекратится, когда разность потенциалов поля станет такой величины, что работа по пере­ме­щению электрона внутри поля сравняется с разно­стью работ выхода:   или   , где е - абсолютная величина заряда электрона. Значение   составляет обычно около 1В.

2. 
   Контактная разность потенциалов в зависимости от концентрации носителей заряда в металлах.
   

Второй причиной появления контактной разности потенциалов между метал­лами 1 и 2 является различная концентрация в них свободных электронов n01 и n02. Свободные электроны в металле принято рассматривать как электронный газ, кото­рый подобен идеальному газу и подчиняется тем же законам. Давление идеального газа равно:   , где   - концентрация молекул, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная темпера­тура. Пусть   >   , тогда р1>р2, т.е. давление электронного газа в первом металле больше, чем во втором. Под действием перепада давления   электроны будут переходить из первого металла во второй больше, чем в обратном направле­нии. Процесс диффузионного перехода прекратится, когда возникающее электриче­с­кое поле двойного электрического слоя скомпенсирует своим противодействием перепад давления. В результа­те этого первый металл зарядится положительно, второй - отрицательно. Теорети­ческий расчет возникающей разности отенциалов   показал, что она зави­сит от концентрации свободных электронов и температуры Т и равна   .

При комнатной температуре значение  имеет порядок 10-1 В. Таким образом, при контакте двух различных металлов между ними возника­ет контактная разность потенциалов 

 .

3. 
   Законы Вольта.
   

1-ый закон Вольта: контактная разность потенциалов зависит от химического состава контактирующих веществ и их температур. Концентрация электронов в разных металлах разная. Работа выхода – энергия, необходимая, чтобы электрон покинул металл. У разных металлов она разная.

 ;

 - разность потенциалов, которую необходимо преодолеть электрону.

 - кинетическая энергия электрона в металле (энергия Ферми). Каждого металла своя работа выхода А_вых (порядок – несколько   ).

 

2-ой закон Вольта: для нескольких контактных веществ контактная разность определяется первым и последним потенциалом.
Литература:

1. 
   Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики. Электричество и магнетизм. В 4т. – М.: Просвещение, 1980. Т.3.-223с.
   
2. 
   Детлаф А.А., Яворский Б.М., Миловская Л.Б. Курс физики. Т.II. М.: Высшая школа, 1977.
   
3. 
   Калашников С.Г. Электричество. Учебное пособие. 5-е изд., перераб. И доп.-М.: Наука, 1985,-567с.
   
4. 
   Савельев И.В. Курс общей физики. Электричество. В 3 т. - М.: Наука, 1982. Т.2.
   
5. 
   Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. В 4 т. - М.: Наука, 1977. Т.3.
   
6. 
   Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество. М.: Просвещение, 1970 и посл.
   
7. 
   Буховцев Б.Б., Мякишев Г.Я. Физика. Учебник для 10 кл. средней школы. – М.: Просвещение, 1987.
   
8. 
   Фейман Р., и др. Феймановские лекции по физике. – М.: Мир, 1965-1967.
   
9. 
   Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. Электрические и электромагнитные явления. В 3т. – М.: Гос. Изд. Технико-теоретической литерат., 1953 и посл. Т.2.