CECHOWANIE   TERMOOGNIWA

Cel:   wykonanie charakterystyki cechowania termopary i wyznaczenie stałej termopary

Przyrządy:  termopara  konstantan – żelazo, woltomierz, termometry.

Wprowadzenie  teoretyczne

              Przy silnym zetknięciu ze sobą dwóch różnych metali pojawia się między nimi różnica potencjałów (zwana napięciem kontaktowym). War­tość tej różnicy potencjałów zależy od składu chemicznego metali oraz od temperatury.

                 Metale są ciałami krystalicznymi. W węzłach sieci znajdują się jony dodatnie, a elektrony walencyjne mogą poruszać się swobodnie w całej sieci krystalicznej. Takie   "wspólne" elektrony  zapewniają trwałość kryształu. Kryształ zbudowany tylko z jonów dodatnich  rozpadłby się wskutek działania sił odpychania kulombowskiego. Jeżeli elektron z jakie­gokolwiek powodu opuszcza metal, to zaczynają na niego działać siły przyciągania. Pochodzą one od jonów dodatnich na powierzchni oraz od metalu jako całości, który tracąc elektron (-e) zyskał ładunek dodatni (+e).  Tak więc, aby elektron opuścił metal musi uzyskać energię równą tzw. pracy wyjścia. Praca wyjścia jest równa energii, jaką musi uzyskać elek­tron znajdujący się na najwyższym zapełnionym poziomie energetycznym, aby wydostać się poza metal. Wielkość pracy wyjścia zależy od rodzaju metalu, dla czystych metali ma wartość około kilku elektronowoltów np. dla cezu 1,81 eV, dla platyny 6,27 eV.

              Rozważmy styk dwóch metali 1 i 2, w których praca wyjścia elek­tronu wynosi odpowiednio A1 i A2.

Rys.1. Schemat ideowy termopary.

Zakładamy, że A1 < A2. Przy tym założeniu elektron trafiający wskutek ruchu cieplnego na powierzchnię styku tych metali zostanie przyciągnięty do wnętrza drugiego metalu. Na złączu /styku/ będzie zachodził przepływ elektronów swobodnych z metalu 1 do 2. Na skutek przepływu elektronów pierwszy metal naładuje się dodatnio, drugi zaś ujemnie  i powstanie po­między nimi różnica potencjałów  f'1 - f'2. Przepływ elektronów ustanie, gdy praca przeniesienia elektronu odpowiadająca różnicy potencjałów  f'1 - f'2 stanie się równa różnicy prac wyjścia:

            (1)

              Ta różnica potencjałów, zwana kontaktową różnicą potencjałów powstaje między stykającymi  się metalami wskutek różnicy prac wyjścia elektronów z metalu.

              Drugą  przyczyną powstania kontaktowej różnicy potencjałów jest różna koncentracja elektronów swobodnych w poszczególnych metalach - n02 i n01 Załóżmy, że  n02 < n01 , wtedy na powierzchni styku zacznie się wymuszony przepływ elektronów swobodnych z pierwszego metalu do drugiego. Przepływ ten spowoduje naładowanie się pierwszego metalu    do­datnio, a drugiego ujemnie. Pomiędzy metalami powstanie różnica poten­cjałów   f”1 - f”2 , która przerwie wymuszony przepływ elektronów. Kontaktowa różnica potencjałów powstała wskutek tego przepływu (dyfuzyjnego przejścia) wyraża się wzorem:

                                                           (2)

gdzie:

        k - stała Boltzmana 1,38 × 10-23 J/K,

        e  - ładunek elektronu  1,602 × 10-19 C,

        T - temperatura w skali bezwzględnej,

        n01,  n02  -  koncentracja swobodnych elektronów.

Całkowita kontaktowa różnica potencjałów między dwoma metalami wy­nosi:

                      (3)

W pokojowej temperaturze   f'1 - f'2  wynosi kilka woltów,  a  f”1 - f”2   jest  10 razy mniejsze.

W obwodzie zamkniętym złożonym z dwóch przewodników, jeśli   tem­peratury styków są jednakowe, napięcia kontaktowe się kompensują i prąd w obwodzie nie powstanie. Przy różnych temperaturach styków w obwo­dzie pojawia się prąd.

Zamknięty obwód przewodników, w którym płynie prąd elektryczny kosztem różnicy temperatur między spojeniami nazywa się termoogni­wem  lub termoparą. Powstająca  w takim obwodzie siła elektromoto­ryczna, zwana też termoelektryczną, jest równa sumie napięć kontakto­wych na styku A i styku B:

gdzie: a - stała termopary.

              Zjawisko zależności  napięcia kontaktowego od temperatury, dzięki któremu powstaje siła termoelektryczna nosi nazwę zjawiska termoelek­trycznego.

              Termoogniwo (termopara) daje bardzo małe siły elektromotoryczne (kilka miliwoltów przy różnicy temperatur  100 K) i jest urządzeniem o małej sprawności. Z tych powodów termoogniwa rzadko są używane jako źródła prądu, natomiast często służą do pomiaru temperatury. W obwód  termopary włącza się woltomierz (o dużym oporze wewnętrznym),  który wskazuje siłę elektromotoryczną. Ze wzoru:

e = a ( TA – TB)                                                                   (4)

można obliczyć stałą termopary, jeżeli znane są obie temperatury. Następ­nie mierząc e oraz znając jedną z temperatur określa się drugą temperaturę. Można też postąpić inaczej: w obwód termopary włączyć  galwanometr (miliwoltomierz o dużym oporze wewnętrznym)  i sporządzić wykres za­leżności  wychyleń galwanometru od różnicy temperatur (czyli wycecho­wać termoparę), a następnie odczytywać z wykresu różnicę temperatur mając wskazania galwanometru.

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego: 1 - termopara, 2 - złącze ogrzewane (puszka z grzałką), 3 - złącze nieogrzewane (termos z wodą), 4 - termometr, 5 - miliwoltomierz, 6 - autotransformator, 7 - wiatrak chłodzący grzałkę po pomiarach, 8 - włącznik wiatraka.

Wykonanie  ćwiczenia

Pomiary wykonuje się za pomocą układu, którego schemat przedstawia rysunek 2.

1.    Odczytujemy temperaturę początkową obu złącz - ogrzewanego i nieogrzewanego, a następnie włączamy ogrzewanie pierwszego złącza. W tym celu należy za pomocą autotransformatora (6) podać napięcie na grzałkę ogrzewa­jącą termoparę. Na początku podajemy napięcie rzędu   70 - 80 V, lecz po przekroczeniu temperatury 200° C  możemy podnieść je do 150 V.

2.    Wskazania miliwoltomierza należy odczytywać przy wzroście temperatury co 100 C, wyniki wpisać do tabeli.

3.    Nie wolno przekraczać temperatury 350° C. Po­miary należy przeprowadzać na zakresie „20 mV” miliwoltomierza. W przypadku pomiarów za pomocą woltomierza cyfrowego, wykonujemy je na zakresie 100 mV.

4.    Stałą termopary a obliczamy z następującej zależności:  e = a ( TA - TB)

Na podstawie wyników pomiarów należy sporządzić krzywą cechowania (na papierze milimetrowym format A-4) tzn. wykres zależności  U = f (DT)  (gdzie  DT = TA - TB).

Tabela.

Uwaga: po zakończeniu pomiarów należy miliwoltomierz przełączyć w pozycję:  „ARRET”   i  włączyć układ chłodzący grzałkę.

Literatura

1.    M. Skorko: Fizyka, PWN, Warszawa 1979.

2.    J. Massalski, M. Massalska: Fizyka dla inżynierów, WNT, Warszawa 1975.

3.    H. Szydłowski: Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1975.

1