Коротка теорія та метод вимірювань

Вільні електрони, що знаходяться у металі в стані хаотичного руху, утримуються всередині металу електромагнітними силами. Для виходу електрона із металу треба затратити енергію і виконати за її рахунок роботу А, що зветься роботою виходу електрона з металу. Її величина визначається природою даного хімічного елемента і, як наслідок, структурою кристалу. При контакті двох різних металів електрони в результаті теплового руху переходять із одного металу в інший і зворотньо в різних кількостях. Кількість електронів, що перетинають межу розділу в одиницю часу, залежить від роботи виходу і концентрації електронів в одиниці об'єму п кожного з контактуючих металів.

У різних металів величини А і п різні, тому перехід електронів через контактний шар відбувається в більшій кількості від металу з меншою роботою виходу та з більшою концентрацією вільних електронів. При цьому провідник з надлишком електронів набуває негативного потенціалу, а інший, що

втратив частину електронів, - позитивного. Електричне поле, що виникає при цьому, сповільнює процес переходу електронів від одного металу до іншого і призводить до рівноважного стану, при якому потоки електронів в обох напрямках вирівнюються. Різниця потенціалів, що з'являється між металами, називається контактною різницею потенціалів. Величина її залежить від температури контакту.

Якщо скласти замкнуте коло із двох спаяних кінцями (рис.1) різнорідних металів L і М, яке називають термопарою, то в місцях спаїв 1 і 2 виникають протилежні за знаком контактні різниці потенціалів, відповідно U₁ i U₂. При однакових температурах спаїв Т₁ = Т₂ контактна різниця потенціалів у спаях 1 і 2, однакова за величиною і сумарна різниця потенціалів U₁ - U₂ дорівнює нулю. А при наявності різниці температур в спаях, коли один спай витримується при температурі Т₁, а другий - при температурі Т₂, контактні різниці потенціалів в спаях відрізняються за величиною і в колі виникає ЕРС (термоелектрорушійна сила) Е

Е=U₁-U₂ (1)

Термоелектрорушійна сила E залежить від роду контактуючих металів та температури. В першому наближенні величина E пропорціональна різниці температур в спаях

Е=а(T₁-T₂) (2)

де а - так званий коефіцієнт термоелектрорушійної сили (величина термоЕРС, що виникає при різниці температур в спаях рівній одиниці температури).

Співвідношення (2) справедливе для деяких термоелементів тільки у вузькому інтервалі температур, тому що величина а взагалі залежить від температури. В даному інтервалі температур коефіцієнт а називають сталою термопари.

При наявності термоЕРС в замкнутому колі виникає термоелектричний струм I, величина якого визначається за законом Ома:

І=Е/(R+r), (3)

де R - зовнішній опір кола; r - опір термопари.

Як бачимо з (3), сила струму в гальванометрі пропорційна термоЕРС, а остання пропорційна різниці температур її спаїв. На цій залежності грунтується термоелектричний метод вимірювання температури, який полягає у вимірюванні сили струму I в термопарі, визначенні термоЕРС в колі Е і розрахунку невідомої температури, наприклад T₁, в одному з спаїв, коли температура іншого спаю (T₂), а також стала термопари а відомі.

Для цього термоелемент мас бути заздалегідь проградуйований – мати відоме значення а. Результати градуювання часто зображають у вигляді графіка залежності термоЕРС, як функції різниці температур ΔT в спаях:

Е = f(ΔT) (4)

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть установку за схемою (рис.1). Перевірте рівність температур в спаях термопари (води в посудинах) термометрами. При рівності температур стрілка гальванометра має бути на нульовій позначці.

2. Увімкніть електронагрівач, розміщений в одній з посудин, при цьому температура води в посудині (і даного спаю термопари) буде зростати, температура води в іншій посудині (і спаю в ній практично не змінюється. Температури в посудинах контролюються термометрами.

3. Через кожні 2ºС нагрівання спаю термопари за відхиленням стрілки гальванометра виміряйте струм у колі (ціна поділки вказана на приладі). Максимальна температура нагрівання (близько 60-70ºС) визначається межами шкали гальванометра.

4. Вимкніть електронагрівач і за формулою (3) визначте термоЕРС Е для одержаних значень струму I. Опір термопари r =1,5 Ом. Величина опору R позначена на гальванометрі.

На основі дослідних даних побудуйте графік залежності Е = ƒ(∆Т). За нахилом графіка визначте величину а згідно з (2) як кутовий коефіцієнт нахилу графіка до осі температур.

Результати вимірювань і розрахунків подайте в таблиці: