Краткая теория. 3. Савельев И.В. Курс общей физики. 2. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. 3. Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977-79, т.1

2. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. М.: Наука, 1972-74, т.1

3. Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977-79, т.1

 

РАБОТА № 27

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ

Приборы и принадлежности: Два калориметра с водой, термопара, гальванометр, термометр, электроплитка.

Краткая теория

Вольт опытным путём установил, что при тесном соприкосновении двух различных металлов возникает между ними разность потенциалов, зависящая только от химического состава металлов и температуры.

Эта разновидность потенциалов названа контактной разностью потенциалов. Сокращенно КРП. Причины, вызывающие КРП – две.

Первая – у разных металлов разная структура кристаллической решетки. Чтобы свободный электрон мог покинуть пределы металла, он должен совершить работу выхода против кулоновских сил, действующих на него со стороны положительных ионов решетки и индуцированного положительного заряда, который образуется при выходе электрона за пределы металла.

Если ввести в контакт два металла, у которых неодинаковая работа выхода, т.е. А ₁ < А ₂ , то свободные электроны пойдут из металла 1 в металл 2. Причем металл 2 будет заряжаться отрицательно, а металл 1 положительно. Возникает КРП, КРП создает поле напряженностью Е. Это поле будет препятствовать дальнейшему переходу электронов из металла 1 в металл 2. Переход прекратится, когда работа перемещения электронов за счет разности работ выхода станет равна работе по перемещению электрона в электрическом поле Е (рис.1)

 

А ₁< А ₂

 

Рис. 1.

Величина данной КРП равна: , где е – заряд электрона.

Вторая причина обусловлена неодинаковой концентрацией свободных электронов в металлах. Если концентрация свободных электронов в металле 1 – , а в металле 2 – и > , то начинается переход электрона из металла 1 в металл 2 и возникает КРП, электрическое поле которого прекратит дальнейший переход электронов из металла 1 в металл 2.

Величина данной КРП равна:

где: k – постоянная Больцмана;

е - заряд электрона;

Т – температура контакта.

Суммарная КРП обусловленная общими причинами, будет равна:

Если составить замкнутую цепь из двух разнородных металлов 1 и 2 у которых А ₁ < А ₂ и < то цепь будет иметь два спая, у каждого из которых возникает КРП U ₁ и U ₂. Можно считать, что каждый спай обладает определенной ЭДС.

Так один спай будет способствовать движению свободных электронов по часовой стрелке, другой – против, то их ЭДС будет направлена в противоположенные стороны, а суммарная ЭДС всей цепи равна разности их.

 

Рис. 2.

 

Если Т ₁ = Т ₂, то U ₁ = U ₂. Если температура спаев различна, то Т ₁ ¹ Т ₂ и Т ₁ > Т ₂, то в цепи появится ЭДС, которая названа термоэлектродвижущей силой и равняется:

– удельная термоэлектродвижущая сила измеряется в Вольт/град и числено равна термоэлектродвижущей силе, которая возникает при D Т =1 К. (разность температур спаев D Т = Т ₁ – Т ₂) Тогда величина термоэлектродвижущей силы будет равна:

e = e _оiD Т

и прямо пропорциональна разности температур спаев.

Замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различной температуры контактов между проводниками, называется термоэлементом или термопарой. Металлические термопары (медь – константан – железо, никель –железо) дают малую термоэдс и иметь и имеют КПД = 0,1% Они применяются для измерения температур. Для усиления термоэдс термопары можно соединить последовательно.

Если для данной пары известно e ₀ и температура Т ₁ одного спая, то измеряя термоэдс e, можно определить температуру второго спая Т ₂.