Ćwiczenie nr Wyznaczanie gęstości cieczy za pomocą wagi Mochra i gęstości ciała stałego i cieczy przy pomocy piktometru.
Marcin Pajdzik Elektronika rok I	12 .04.1999r.	Ocena:

I Cel ćwiczenia

- poznanie fizycznych podstaw zjawiska termoelektrycznego

- zapoznanie z techniką pomiaru temperatury za pomocą termopary

II Część teoretyczna

Zjawisko termoelektryczne polega na powstawaniu siły elektromotorycznej między spojeniami dwóch różnych metali, jeżeli między tymi spojeniami występuje różnica temperatur. Zjawisko to wykorzystuje się do pomiaru temperatury. Zastosowanie termopar umożliwia zdalny pomiar temperatury, rejestrację zmian temperatury oraz pomiar temperatury bardzo małych obiektów.

ZJAWISKO TERMOELEKTRYCZNE

Jeżeli temperatury styków dwóch metali różnią się między sobą to w obwodzie zamkniętym składającym się z tych metali płynie prąd. W celu wyjaśnienia tego zjawiska należy odwołać się do elektronowej budowy metali. Metal zbudowany jest z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną oraz elektronów swobodnych poruszających się między tymi jonami. Koncentracja elektronów swobodnych zależy od temperatury i jest różna w różnych metalach. W miejscu styku następuje dyfuzja elektronów z metalu o większej koncentracji elektronów swobodnych do metalu o mniejszej koncentracji, w skutek czego jeden z metali naładuje się dodatnio a drugi ujemnie ( kontaktowa różnica potencjałów). Ustala się stan równowagi dynamicznej. Jeżeli temperatury styków są jednakowe to w obwodzie prąd nie płynie. Jeżeli temperatury styków są różne

T₁ różne od T₂ to napięcie kontaktowe U_AB <> U_BA i w obwodzie płynie prąd termoelektryczny. Siłę elektromotoryczną powodującą przepływ tego prądu nazywamy siłą termoelektryczną, która zależy od rodzaju stykających się metali oraz od różnicy temperatur spojeń.

Pomiar temperatury za pomocą termopary

W praktyce do pomiaru siły termoelektrycznej musimy stosować jakiś miernik, którego przewody doprowadzające oraz sam ustrój pomiarowy mogą być wykonane z innych metali niż termopara. Jeżeli w obwód termopary włączymy inne przewodniki, tak aby dodatkowe spojenia miały tę samą temperaturę, to siła termoelektryczna nie ulegnie zmianie ( prawo trzeciego metalu)

Termopary najczęściej wykonuje się z :

- miedzi i konstantanu ( 40% Ni i 60%Cu ) - zakres pomiarowy do 800K

- platyny i platynorodu ( 90% Pt i 10% Rh ) - zakres pomiarowy do 1300K

- irydu i stopu irydu z rodem - zakres pomiarowy do 2300K

Przy pomiarze temperatury za pomocą termopary zwykle jako temperaturę odniesienia przyjmuje się temperaturę 273K, którą uzyskujemy wykorzystując mieszaninę wody z lodem umieszczoną w termosie zabezpieczającym ją przed poborem ciepła z otoczeni. Schemat pomiaru temperatury za pomocą termopary przedstawia poniższy rysunek.

1. mieszanina wody z lodem

2. pojemnik o zmiennej temperaturze

OPIS ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNEGO NA GRUNCZIE ELEKTRONOWEJ TEORII METALI

W teorii tej przyjmuje się, że elektrony swobodne poruszają się w jamie potencjału i mogą przyjmować tylko dyskretne wartości energii. Ponadto musi być spełniona zasada Pauliego - każdy stan energetyczny może być obsasdzony tylko przez dwa elektrony o przeciwnych spinach ( wszystkie stany poniżej pewnego poziomu są całkowicie obsadzone przez elektrony, a wszystkie powyżej tego poziomu są puste). Poziom ten nazywa się poziomem ( energią ) Fermiego i jesy dany wyrażeniem:

gdzie h - stała Plancka

m- masa elektronu

N - liczba elektronów

V - objętość

W temperaturze wyższej niż 0 K część elektronów zajmuje stany powyżej energii Fermiego, przez co część stanów o energii mniejszej nie jest zapełniona. Energia Fermiego w tym przypadku określa poziom, którego prawdopodobieństwo obsadzenia elektronami wynosi 0,5. Poziom ten zmienia się z temperaturą .

Jeżeli wykonamy złącze z dwóch metali A i B ( takie jak na rysunku ), to powstanie kontaktowa różnica potencjałów Galvaniego.

gdzie e - ładunek elektronu

- energia Fermiego dla metalu A

- energia Fermiego dla metalu B

Po podstawieniu wyrażenia na energię Fermiego dla metali A i B do powyższego równania okazuje się, że kontaktowa różnica potencjałów zależy od temperatury i od różnicy koncentracji elektronów w metalach A i B

Jeżeli utworzymy obwód zamknięty zbudowany z metalu A o większej koncentracji elektronów swobodnych i metalu B o mniejszej wywołamy różnicę temperatur między spojeniami i w obwodzie powstanie siła termoelektryczna

Dla niezbyt dużych różnic temperatur między spojeniami możemy przyjąć liniową zależność siły termoelektrycznej od tej różnicy.

III Część praktyczna

Przed przystąpieniem do pomiaru pomiaru temperatury należy przeprowadzić skalowanie termopary. Polega ono na doświadczalnym wyznaczeniu zależności siły termoelektrycznej od temperatury. W tym celu umieściliśmy jedno ze spojeń termopary w mieszaninie wody z lodem, drugie zaś w pojemniku 2, w którym kontrolowaliśmy zmianę temperatury. Z uzyskanych pomiarów sporządziliśmy wykres cechowania termopary.

T [°C]	U [mV]	K [°C/mV]	T [°C]	U [mV]	K [°C/mV]	T [°C]	U [mV]	K [°C/mV]
20	1,4	14,28571	45	3,9	11,53846	70	5,75	12,17391
21	1,55	13,54839	46	4	11,5	71	5,8	12,24138
22	1,9	11,57895	47	4,05	11,60494	72	5,8	12,41379
23	1,95	11,79487	48	4,1	11,70732	73	5,85	12,47863
24	2	12	48	4,2	11,42857	74	5,95	12,43697
25	2,1	11,90476	50	4,3	11,62791	75	6,0	12,5
26	2,2	11,81818	51	4,4	11,59091	76	6,1	12,45902
27	2,3	11,73913	52	4,5	11,55556	77	6,35	12,12598
28	2,4	11,66667	53	4,6	11,52174	78	6,5	12
29	2,45	11,83673	54	4,65	11,6129	79	6,8	11,61765
30	2,6	11,53846	55	4,7	11,70213	kśr [°C/mV]
31	2,7	11,48148	56	4,8	11,66667
32	2,75	11,63636	57	4,9	11,63265				11,8201
33	2,8	11,78571	58	5	11,6
34	2,95	11,52542	59	5,05	11,68317				Średnie odchylenie kwadratowe
35	3,05	11,47541	60	5,15	11,65049
36	3,15	11,42857	61	5,2	11,73077				0,241323
37	3,2	11,5625	62	5,35	11,58879
38	3,3	11,51515	63	5,45	11,55963
39	3,4	11,47059	64	5,5	11,63636
40	3,5	11,42857	65	5,55	11,71171
41	3,55	11,5493	66	5,6	11,78571
42	3,65	11,50685	67	5,65	11,85841
43	3,75	11,46667	68	5,65	12,0354
44	3,8	11,57895	69	5,7	12,10526

Wykres cechowania termopary

T [s]	U [mV]	T[°C]	T [s]	U [mV]	T[°C]
0	8,6	101,6529	425	6,7	79,19467
25	8,4	99,28884	450	6,65	78,60367
50	8	94,5608	475	6,6	78,01266
75	7,7	91,01477	500	6,55	77,42166
100	7,4	87,46874	525	6,5	76,83065
125	7,2	85,10472	550	6,45	76,23965
150	7,1	83,92271	575	6,4	75,64864
175	7	82,7407	600	6,35	75,05764
200	6,95	82,1497	625	6,25	73,87563
225	6,9	81,55869	650	6,15	72,69362
250	6,9	81,55869	675	6,05	71,51161
275	6,85	80,96769	700	5,9	69,73859
300	6,85	80,96769	725	5,75	67,96558
325	6,85	80,96769	750	5,65	66,78357
350	6,8	80,37668	775	5,5	65,01055
375	6,8	80,37668	800	5,4	63,82854
400	6,75	79,78568	825	5,3	62,64653

Krzywa stygnięcia badanego pierwiastka

Na podstawie sporządzonego wyżej wykresu odczytaliśmy temperaturę krzepnięcia metalu. Wynosiła ona 81° C

IV Wnioski :

W ćwiczeniu zajęliśmy się badaniem właściwości cieplnych ciał stałych. Do naszych pomiarów wykorzystaliśmy termoparę. Termopara jest to złącze dwóch metali, na której przy odpowiednich warunkach powstaje siła termoelektryczna. Tym warunkiem jest różnica temperatur na złączu obu metali. Zjawisko to można wytłumaczyć bazując na tzw. poziomach Fermiego. Naszym celem było sporządzenie wykresu cechowania termopary, i na tej podstawie wyznaczenie temperatury krzepnięcia metalu. Charakterystyka cechowania termopary wyszła w przybliżeniu liniowa. Wraz ze wzrostem temperatury napięcie na złączu termopary wzrastało. Kolejnym etapem ćwiczenia było sporządzenie wykresu przez rejestrator. Badaną substancję wyjęliśmy na zewnątrz i następował powolny spadek temperatury. Na otrzymanym wykresie można było zauważyć w pewnym momencie ustabilizowanie się napięcia termopary pomimo zmniejszania temperatury. Temperatura dla tego przedziału była temperaturą krzepnięcia, (ok. 81°C) którą wyznaczyliśmy za pomocą wcześniej sporządzonego wykresu cechowania termopary. Na błąd pomiaru wpływały głównie klasy przyrządów. Temperaturę cechowania mogliśmy wyznaczać z dokładnością do 1°C . Natomiast dokładność wyznaczenia temperatury krzepnięcia zależała od dokładności sporządzenia cechowania termopary. Temperatura nie zmienia się przy procesie krzepnięcia , ponieważ wtedy odbudowuje się siatka krystaliczna materiału i na ten proces potrzebna jest energia.

---