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热电偶的温差特性研究

时间:2010-07-21 07:59来源:未知 作者:yuanyi 点击:
在金属和半导体中存在电位差时产生电流,存在温差时产生热流。从电子论的观点来看,不论电流还是热流都与电子运动有关,故电位差、温度差、电流、热流之间会存在交叉关系,这就构成了热电效应。 1821 年德国物理学家塞贝克( T J Seeback )发现:当两种不同

在金属和半导体中存在电位差时产生电流,存在温差时产生热流。从电子论的观点来看,不论电流还是热流都与电子运动有关,故电位差、温度差、电流、热流之间会存在交叉关系,这就构成了热电效应。1821年德国物理学家塞贝克(T J Seeback)发现:当两种不同金属导线组成闭合回路时,若在两接头维持一温差,回路就有电流和电动势产生,后来称此为塞贝克效应。其中产生的电动势称为温差电动势,上述回路称为热电偶。

温差电动势一般表示为:

式中的α、β为温差电动势的系数。在一定的温度范围内,温差电动势与温差是成正比,即两种金属构成回路有赛贝克效应,两种半导体构成回路同样有温差电动势产生,而且效应更为显著。在金属中温差电动势约为几微伏每度,而在半导体中常为几百微伏每度,甚至达到几毫伏每度。因此金属的赛贝克效应主要用于温度测量,而半导体则用于温差发电。金属赛贝克效应测温中,铂-铂铑热电偶可用至高达1700的温度;镍铬-镍铝热电偶有更高的灵敏度和与温度成正比的电动势;铜-康铜热电偶在高于室温直至15K的温度范围仍具有高灵敏度;低于4K的温度可用特种金钴合金-铜热电偶或金铁合金-镍隔热电偶。

实验目的

     1.掌握电位差计的工作原理及使用方法。

     2.了解热电偶的原理及制作。

     3.用电位差计测热电偶的温差电系数。

实验仪器

     UJ-36型电位差计(11.5V电池4节,9伏电池2节)、热电偶及加热装置、调压器。

实验原理

1.热电偶测温原理,如图1所示:

把两种不同的金属两端彼此焊接组成闭合回路,若两接点的温度不同,回路中就产生温度差电动势。这两种金属的组合叫热电偶。温差电动势的大小除了和组成的热电偶材料有关外,还决定于两接点的的温度差。将一端的温度t0固定(称为冷端,实验中利用冰水混合物),另一端的温度t改变(称为热端),温差电动势亦随之改变。电动势和温差的关系较复杂,其第一级近似式为

                   E=α(t -t0                        

式中α称为热电偶的温差电系数,其大小取决于组成热电偶的材料。

热电偶可以用电测量温度。用一只已知α值的热电偶,一端温度固定不变,另一端与待测物体接触,再用电位差计测出热电偶回路的电动势,就可以求出待测温度。

由于温差电动势较低,因此在实验中利用电位差计来测量。

2。电压补偿法发原理

电位差计是利用电压补偿原理而设计的电压测量工具。先来谈一下补偿原理,如图2所示,要知道电阻R两端的电压,一般用一只电压表并到电阻R两端就可以知道其电压值,但电压表有内阻,电压表显示的电压值小于真实值

关键问题:既要测量出电阻R两端的电压值,又不影响被测电路的特征。下面借助外部电路来完成,如图3所示。图中E2为可调电动势,E2与电压表构成第二个回路,电压表显示E2的路端电压UCD。当UCD<UAB时,按下电键T,电流计中有电流通过,方向AB;当UCD>UAB时,按下电键T,电流计中有电流通过,方向AB;当UCD=UAB时,按下电键T,电流计中无电流通过,两回路中无能量交换,此状态被称为“补偿态”,回路2中电压表显示的就是回路1中电阻R两端的电压。

在实际电路中实现可变电压的通常采用滑线变阻器得分压作用,如图4所示。

3。电位差计工作原理

电位差计工作原理图如图5所示,回路1为工作回路,回路2为校准电流回路,回路3为测量回路。

在电位差计设计过程中,为了定标方便,工作回路的电流一般为10nA(如0.01A,即10-2A)。但工作电流由校准回路来调节,EsRs都是定值,调节电流调节器,将K掷向s,当工作电流能使工作回路和校准回路达到补偿时,工作电流I(如I = 10-2A= 10 mA

在测量时,将K掷向x,调节R的滑动片的位置,若在某一位置,其分得电压U=I×Rx)和被测回路达到补偿,即Vx=U=I×Rx。对于测量仪器,读出的数据不应是电阻(Rx)值,而是通过简单计算得到被测量的电压值Vx=0。01×Rx)。 

实验内容

1.连接电路

将热电偶的电压端接到电位差计上“未知”端。注意极性,对铜-康铜热电偶中康铜断开,对应冷端为正,相反为负。 电路如图6所示

2.校准工作电流

    先将电位差计上功能开关 K调至“标准”,调节面板右上角的“电流调节”旋钮,使检流指“0,此时工作电流即调好了。

3.测出室温下的初始电动势

先将K拨至“未知”,然后,调节右下方的读数盘,使检流计指“0”,同时读出温度计和电位差计上读数盘的数值。应注意的是面板上“倍率”开关,若电势差太小,请选用×0.2。

4。加热测测量

    每升高约 10测量一组tE,共测 68组数据(包括室温一组)   

数据处理

      1.列出规范的数据表格,记录实验数据。

t0(℃)(冷端)

t(℃)(热端)

t(℃)(温差)

EmV

1

0

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

4

 

 

 

5

 

 

 

6

 

 

 

7

 

 

 

8

 

 

 

     

2。用作图法处理数据,以温差电动势(E)为纵坐标,温度差(t)为横坐标,绘出E~△t图线,并由该图线求出直线斜率,即温差电系数α。 

注意事项

    1.电源的极性均不得接反。如果接反了实验中会产生什么现象?

    2.调压器输入输出不能接错,否则,要烧坏仪器;通电后手不能触及接头处,以防触电;调节时动作要缓慢;调压器读数不要超过 200V。

    3.当发现检流计指针偏转剧烈时,应立即松开按钮进行检查。

    4.每次测量时,一定要等温度稳定后再读数。温度稳定的方法是:待温度上升到预测的温度前几度,将调压器的电压降下来,以控制温度上升越来越慢,直到稳定。温度稳定的主要标志是:面板上按钮按下时检流计指针基本不动。

    5.作完实验后,经教师检查数据后才能拆除电路,并将电位差计面板上“倍率”开关旋到“断”。

(责任编辑:admin)
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