Отримання знань

        Лабораторна робота № 2

Контрольні запитання

• 1)  Що таке термопара?
• 2)  Поясніть явище виникнення ЕРС в термопарі.
• 3)  Яка величина характеризує властивості пари двох металів при малій різниці спаїв? Дайте характеристику.
• 4)  Поясніть, для чого в досліді використовується холодна вода.
• 5)  Навести приклади технічного застосування термопар.

Література:

• 1.      А. В. Пёрышкин, Курс физики, ч. 3.
• 2.      І. М. Кучерук, І. Т. Горбачук, П. П. Луцик. «Електрика і магнетизм», том 2 (п. 4. 6).
• 3.      Б. М. Яворський, А. А. Детлаф, Л. Б. Миколовська. Курс физики, том 2 (п. 10.2).

Термопара - це пристрій для вимірювання температури, принцип дії якого базується на ефекті Зеебека –утворення напруги (різниці потенціалів) у місці контакту двох різних металів.

Зеебек у 1821 р. помітив, що якщо спаї 1 та 2 різних металів, що утворюють замкнуте коло, і підтримувати їх при різних температурах, то в колі буде текти електричний струм. Зміна знаку у різниці температури спаїв супрводжується і зміною напряму струму. Різницю потенціалів (напругу), яка виникає у місці спаю двох різних металів, називають термоелектричною, а струм, який тече у провідниках під дією термоелектричної напруги - термоелектричним струмом. Причин виникнення термоелектричної різниці потенціалів є дві. Перша причина полягає в тому, що різні метали, які утворюють спаї, мають різну кількість електронів в одиниці об'єму. Якщо температура спаїв однакова, то між металами у обох спаях існує однакова різниця потенціалів (напруга). Напруги, що виникають у кожному спаї, створюють струми протилежних напрямків (назустріч один одному). В результаті  однакові за величиною струми течуть назустріч один одному, а отже результуючий струм у провіднику дорівнює нулю. Якщо ж спаї підтримувати при різних температурах, то різниця потенціалів у спаї 1 та 2 будуть різними. Ці різниці потенціалів також створюватимуть зустрічні струми, але вже різної величини. Спай із більшою температурою буде характеризуватись більшою кінетичною енергією електронів, а отже матиме більшу термоелектричну різницю потенціалів, з більшим термострумом. У спаї ж з меншою температурою кінетична енергія електронів буде меншою, отже і термострум буде меншим, струми різної величини теж будуть текти назустріч один одному. Один зі термострумів буде більшим за величиною ніж інший. Оскільки термоструми напрямлені у зустрічному напрямі, значить більший струм переважатиме менший. Таким чином, у провіднику тектиме електричний струм певного напрямку. Звідси можна зробити висновок, що чим більше буде різниця температур між спаями, тим більший термострум буде текти у провіднику.

Щоб зрозуміти другу причину виникнення термоструму, розглянемо однорідний металевий провідник, між кінцями якого існує різниця температур. У цьому випадку концентрація електронів з великою кінетичною енергією буде більшою біля нагрітого кінця провідника, ніж біля холодного (концентрація електронів з меншою кінетичною енергією, навпаки буде більшою біля холодного кінця). Тож вздовж провідника кількість електронів з різним  значенням енергії буде різною. Внаслідок цього електрони з більшою кінетичною енергією переходитимуть до холодного кінця провідника, а електрони з меншою кінетичною енергією до нагрітого кінця, і зрозуміло, що потік електронів з більшою кінетичною енергією буде більшим, ніж потік електронів з малою кінетичною енергією, оскільки кінетична енергія характеризує інтенсивність руху частинок. Саме тому, біля холодногого кінця утвориться надлишок електронів, а біля нагрітого — їх недостача. В результаті всередині провідника  виникне електричне поле, яке буде мати напрямок у сторону зменшення температури провідника (в сторону холодного кінця провідника). При цьому між холодним і гарячим кінцями провідника виникне різниця потенціалів (напруга). Потенціал нагрітого кінця буде вищим за потенціал холодного. Таким чином, термоелектрична різниця потенціалів складається із різниці потенціалів у спаях двох однорідних металів і з різниці потенціалів нерівномірно нагрітих металевих провідників.

Це явище Зеебека і використовується для вимірювання температур з допомогою термопари. При цьому один спай термопари підтримують за постійної температури, а інший помішують в той об'єм, температуру якого бажають виміряти. Про величину температури досліджуваного об'єму можна робити висновок за величиною термоелектричного струму, який можна вимірювати, наприклад, гальванометром. 

Хід роботи:

1.    В колби налити холодної води і опустити в них термопари; константанові провідники з'єднати між собою, а ті, які виготовлені із заліза - з клемами гальванометра (згідно схеми, рис. 1).

2.    Звільнити стрілку гальванометра від арретиву і встановити її на нуль шкали за допомогою коректора.

3.    Ввімкнути плитку і спостерігати за гальванометром. Якщо стрілка гальванометра буде рухатися в зворотну сторону, то необхідно поміняти місцями провідники, які підводять струм до гальванометра.

4.    Через кожні   знімаємо покази  термометрів для холодної та підігрітої води, а також покази гальванометра.

Рис. 1

5.    За результатами дослідження складіть таблицю.

6.    Побудувати графік залежності напруги від різниці температур її спаїв.