Градуировка термопары

Цель работы: ознакомление с принципом действия термопары, ее

градуировка, определение постоянной термопары.

Приборы и принадлежности: термопара, милливольтметр,

нагревательный прибор, термометр, сосуд с водой.

Краткая теория

Свободные электроны находятся в беспорядочном движении и не могут покинуть металл, так как на них действует электрическая сила. Возникает эта сила в результате двух причин:

1. Между свободными электронами и положительно заряженной ионной решеткой существуют силы взаимодействия.

2. В результате теплового движения некоторые из свободных электронов, находящихся вблизи поверхности металла, могут перейти эту поверхность и несколько удалиться от нее. Поэтому поверхность металла окутана электронной оболочкой толщиной порядка нескольких межатомных расстояний в металле. Эта электронная оболочка заряжена отрицательно, а поверхность металла, вследствие обеднения электронами, заряжена положительно. Следовательно, возникает сила, притягивающая электрон и мешающая ему выйти.

Эти причины приводят к возникновению в поверхностном слое металла потенциального барьера. Образуется как бы конденсатор; разность потенциалов между его пластинами -Dj. Для того, чтобы электрон мог пройти этот барьер и удалиться из металла, необходимо совершить работу. Работа, которую надо совершить на освобождение электрона из металла, называется работой выхода А:

где e - заряд электрона, Dj - поверхностный скачек потенциалов между металлом и окружающей средой.

Таким образом, электроны в металле находятся на дне потенциальной ямы высотой А.

Контактные явления. Приведем в контакт два разнородных металла. Пусть первый металл имеет большую работу выхода, чем второй. Тогда электроны беспрепятственно будут переходить из второго металла в первый. Следовательно, электроны переходят из металла с меньшей работой выхода в металл с большей работой выхода, при этом второй металл заряжается положительно, а первый - отрицательно. Контактная разность потенциалов определится:

.

Однако существует еще одна причина возникновения контактной разности потенциалов – разная концентрация электронов в металлах. Электроны из металла, где их много, будут переходить в металл, где их мало, благодаря явлению диффузии. В результате возникшего диффузионного потока, между металлами образуется контактная разность потенциалов, определяемая выражением:

где k - постоянная Больцмана, T - температура в месте контакта, n₀₁ и n₀₂ – концентрации электронов соответственно в первом и втором металлах.

Общая контактная разность потенциалов равна

(1)

Процесс перехода электронов от одного металла к другому происходит до тех пор, пока разность работ выхода А₁, А₂ и различия количества свободных электронов n₀₁, n₀₂ в единице объема не уравновесятся противодействием возникшей контактной разности потенциалов. Контактная разность потенциалов зависит не только от свойств металлов, но и от температуры.

Законы Вольта

Вольта экспериментально установил два закона:

При соединении двух проводников, изготовленных из различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит только от их химического состава и температуры.

Контактная разность потенциалов на концах цепи, состоящей из последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Математическим выражением первого закона Вольта является формула (1). Она показывает, что Dj зависит только от температуры и химического состава соприкасающихся проводников (Т, A₁, A₂, n₀₁, n₀₂).

Для доказательства второго закона Вольта приведем в соприкосновение три разнородных металла, находящихся при одной температуре. Результирующая разность потенциалов окажется равной:

Dj = (j ₁ -j ₂) + (j ₂ -j ₃) = j ₁ -j ₃

Т.е. j₁-j₃ действительно не зависит от природы промежуточных металлов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: