Cechowanie termopary

1 Wstęp teoretyczny.
Klasyczna teoria przewodnictwa.
Przewodnictwem elektrycznym nazywamy zjawisko przepływu ładunku elektrycznego w materiale pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Podstawowym założeniem teorii jest istnienie w metalach swobodnych elektronów, które zachowują się jak gaz klasyczny. Gaz elektronowy porusza się swobodnie pomiędzy jonami tworzącymi sieć krystaliczna metalu. Podobnie jak gaz klasyczny, gaz elektronowy wykazuje pewne ciśnienie, zależne od koncentracji elektronów w danym metalu i od temperatury liczonej w skali bezwzględnej.
Powstawanie kontaktowej różnicy potencjałów przy zetknięciu dwóch różnych metali.
Przy zetknięciu dwóch różnych metali powstaje miedzy nimi różnica potencjałów zależna od rodzaju metali i temperatury. Korzystając z klasycznej teorii przewodnictwa zjawisko powstania kontaktowej różnicy potencjałów można wytłumaczyć jako wynik dyfuzji gazu elektronowego z jednego metalu do drugiego. W wyniku dyfuzji pierwszy metal uzyskuje ładunek dodatni (gdyż cześć elektronów odpłynęła z niego) a drugi metal ładunek ujemny (na niego napłynęły elektrony z pierwszego metalu), co doprowadziło do powstania napięcia kontaktowego, które przeciwstawia się dalszej dyfuzji elektronów. W następstwie tego między różnica ciśnień gazu elektronowego obu metali a napięciem kontaktowym ustala się tzw. stan równowagi dynamicznej.
Zjawisko termoelektryczne Seebecka.
W przypadku, gdy oba spojenia metali mają te samą temperaturę, wypadkowa różnica napięć jest równa zero i w obwodzie prąd nie płynie. Jeśli jednak jedno ze spojeń zostanie ogrzane, to różnica potencjałów kontaktowych wzrośnie proporcjonalnie do temperatury. Kompensacje tej różnicy potencjałów przez przeciwnie skierowaną różnicę potencjałów drugiego, chłodniejszego spojenia zostanie naruszona, w wyniku czego w obwodzie pojawi się siła elektromotoryczna Et równa różnicy napięć kontaktowych obu spojeń, a więc jest proporcjonalna do różnicy temperatur obu spojeń.
- współczynnik proporcjonalności zależny od tego jakie pary metali stykamy ze sobą. Kierunek prądu termoelektrycznego zależy od rodzaju stykających się metali A i B. Przyjęto następującą konwencję znak , gdy przez złącze o wyższej temperaturze prąd płynie od A do B. Siła termoelektryczna w obwodzie nie ulegnie zmianie, jeżeli włączymy weń inne przewodniki, gdy temperatura dodatkowych złącz będzie taka sama. Dlatego w obwód termopary można włączać przyrządy miernicze.
2. Przebieg ćwiczenia.
Ćwiczenie rozpoczęto od zapoznania się z instrukcją oraz aparaturą niezbędną do wykonania ćwiczenia. W skład układu pomiarowego wchodziły dwie zlewki, grzejnik elektryczny, multimetr cyfrowy, termometr oraz spojenia termopary.
Pierwszą zlewkę napełniliśmy wodą, umieszczając w niej jedno spojenie termopary i całość ustawiliśmy na grzejniku. Następnie do drugiej zlewki nalaliśmy wodę i umieściliśmy w niej drugie spojenie termopary.
Po odpowiednim ustawieniu zlewek i spojeń termopary w obwód termopary włączyliśmy miliwoltomierz i odpowiednio dobraliśmy skalę. Za pomocą termometru odnotowano temperaturę w obu zlewkach. Następnie włączyliśmy grzejnik elektryczny i dokonywaliśmy pomiarów napięcia i temperatury co 5oC (od 30oC do 95oC), jednocześnie mieszając podgrzewaną wodę termometrem, by ciecz miała jednakową temperaturę w całej swej objętości. Po dojściu wody do temperatury 95oC wyłączyliśmy grzejnik. W podobny sposób dokonywaliśmy pomiarów temperatury i napięcia podczas stygnięcia wody (od 95oC do 40oC). Wyniki otrzymane podczas ćwiczenia odnotowaliśmy w karcie pomiarowej. Po zakończeniu ćwiczenia uporządkowaliśmy stanowisko pomiarowe.