Лабы по электричеству 2020 / Лаб4docx

Лабораторная работа №4

Контактные явления в металлах. Градуировка термопары.

Цель работы:

1. Изучение физических процессов в контактах разнородных металлов;

2. Градуировка термопар в температурном интервале 300-380К.

Приборы и принадлежности:

Лабораторный макет, температурная ячейка, блок питания, прибор комбинированный цифровой Щ4311, термометр, термопары.

Краткая теория:

1. Контактная разность потенциалов

Приведем в тесный контакт два металла, как это показано на рис.1. Каждый металл характеризуется своей концентрацией свободных электронов n и работой выхода A. При соприкосновении начнется переход электронов из одного металла в другой и обратно, однако преобладающее направление будет определяться величиной работы выхода и концентрацией носителей по обе стороны границы. Пусть для определенности A₁<A₂, n₁>n₂. Тогда преимущественным движением будет переход электронов из металла 1 в металл 2, приграничный слой металла 2 будет заряжаться отрицательно, металла 1 – положительно. В месте контакта возникает тонкий двойной электрический слой толщиной ~10^-8 см. Такое разделение зарядов эквивалентно появлению внутреннего источника ЭДС с разностью потенциалов ε₁₂. Точные расчеты показывают, что контактная разность потенциалов может быть вычислена по формуле:

(1)

где k - постоянная Больцмана, T – абсолютная температура. Из формулы (1) следует, что величину ε₁₂ определяют различия в работах выхода электронов для двух металлов и различия в концентрациях электронов n₁ и n₂. Важно отметить, что контактная разность потенциалов является температур зависимой величиной.

Рис. 1. Возникновение контактной разности потенциалов

Если рассмотреть цепь, состоящую из нескольких металлов, то суммируя контактные разности потенциалов для каждого контакта формулы (1), легко показать, что за счет сокращений результирующая контактная разность определяется только крайними металлами цепи, что соответствует закону последовательных контактов Вольты.

2. Физические принципы работы дифференциальной термопары

Дифференциальные термопары представляют замкнутую цепь из двух разнородных металлов (рис. 2), в которой выполнен разрыв для проведения измерений ЭДС. Места соединения металлов называются спаями, которые обычно выполняются методами высокотемпературной сварки. Если температуры спаев одинаковы, то ЭДС термопары равна нулю, если температуры спаев различны, то ЭДС термопары отлична от нуля. Действие термопары основано на эффекте Зеебека – возникновении электродвижущей силы в цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру.

Рис. 2. Дифференциальная термопара

Рассмотрим физические основы работы дифференциальной термопары. Эквивалентная схема этого устройства показана на рис. 3. В ней существуют два источника ЭДС ε₁₂ и ε₂₁, направленных навстречу друг другу. При равенстве температур спаев величины ε₁₂ и ε₂₁ одинаковы, результирующая ЭДС на концах термопары является нулевой. Если мы поднимем температуру левого спая, то величина ε₁₂ увеличится, величина ε₂₁ останется прежней и на концах термопары появится ЭДС, равная разности ε₁₂ и ε₂₁.

Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема (широкими темными полосами показан двойной электрический слой)

Подсчитаем результирующую электродвижущую силу ε:

(2)

или

ε= (3)

Коэффициент для двух данных металлов называется постоянной термопары или удельной термо-ЭДС. Он равен термоэлектродвижущей силе, возникающей в цепи при разности температур спаев в один градус Кельвина:

. (4)

Для металлов величина составляет несколько десятков мкВ/град.

Термо-ЭДС в контуре дифференциальной термопары складывается из трех составляющих:

1. Обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов.

2. Обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным.

3. Обусловлена увлечением электронов квантами тепловой энергии — фононами, поток которых также распространяется к холодному концу.

Точность определения температуры составляет десятые доли градуса. Дополнительными достоинствами этого метода измерения температуры являются широкий интервал температур, малая инерционность, обусловленная малым объемом спая, возможность применения в автоматизированных системах контроля производственных процессов. В качестве примера можно привести термопары медь – константан, которые широко применяются для измерения температуры в интервале от 70 до 570 К. Величину напряжения можно увеличить, собирая термопары последовательно, для увеличения мощности применяют батареи с параллельным соединением термопар.

Дифференциальные термопары широко используются в современном физическом эксперименте, в лабораторных условиях и промышленности как точные измерители температуры и низковольтные источники тока.

Порядок выполнения работы: С оберём установку по схеме, показанной на рис. 4. Рис. 4. Схема экспериментальной установки Один спай термопары 3 поместим в тепловую ячейку 1. Второй спай поместим в стакан 4, имеющий комнатную температуру. Питание тепловой ячейки осуществляется от понижающего трансформатора 2 с напряжением на выходе 80В. Температура в объеме ячейки контролируется термометром 5. ЭДС на концах термопары определяется цифровым милливольтметром 6. Перед началом измерений прогреем цифровой вольтметр в течение 20 минут, проведём установку нуля. ЭДС термопары в исходном состоянии: ɛ(0)=0. Подадим напряжение 80В на тепловую ячейку. В интервале температур от комнатной до 80°C шагом в 2 градуса измерим величину термо-ЭДС для термопары хромель-копель. Результаты представим в виде таблицы. При включенной тепловой ячейке установим термопару константан-хромель. Проведём стабилизацию температуры 5-7 минут. Выключим питание ячейки и в режиме остывания выполним измерения термо-ЭДС в интервале от 80°C до комнатной температуры шагом 2 градуса. Результаты также представим в виде таблицы. Для каждой термопары построим график зависимости термо-ЭДС от температуры горячего спая. Определим величину удельной термо-ЭДС. Ход работы: Результаты измерений термо-ЭДС для термопары Хромель-Копель и термо-ЭДС медь-константан занесли в таблицу ниже. Экспериментальная установка Хромель-Копель Медь-Констанст t ,С ε, мВ t ,С ε, мВ 24 0,48 80 3,07 26 0,6 78 3,04 28 0,72 76 3,01 30 0,84 74 2,98 32 0,96 72 2,95 34 1,08 70 2,92 36 1,2 68 2,88 38 1,32 66 2,84 40 1,48 64 2,81 42 1,6 62 2,77 44 1,72 60 2,72 46 1,85 58 2,66 48 1,98 56 2,6 50 2,12 54 2,53 52 2,25 52 2,45 54 2,38 50 2,37 56 2,55 48 2,27 58 2,67 46 2,2 60 2,79 44 2,1 62 2,94 42 1,91 64 3,08 40 1,81 66 3,22 38 1,72 68 3,36 36 1,63 70 3,53 34 1,51 72 3,7 32 1,41 74 3,85 30 1,31 76 3,98 28 1,21 78 4,01 26 1,11 80 4,25 24 1,01 Для каждой термопары построил график зависимости термо-ЭДС от температуры горячего спая. Рис. 5. Зависимость термо-ЭДС хромель-копель от температуры горячего спая. Рис. 6. Зависимость термо-ЭДС медь-константан от температуры горячего спая. Определил величину удельной термо-ЭДС по формуле 3 : Для хромель-копель: 1 = (0,6-0,48)/2 = 0,06 (мВ/К) Для медь-константан: 2= (1,11-1,01)/2 = 0,05 (мВ/К) Вывод: Таким образом мы экспериментально изучили физические процессы в контактах разнородных металлов на примере спаев хромель-копель и медь-константан, построили графики зависимости термо-ЭДС хромель-копель и медь-константан от температуры горячего спая. Вычислили постоянные термопары, они равны: 1= 0,06, α2= 0,05.