Контрольные вопросы

1. Диэлектрические потери. Угол диэлектрических потерь.

2. Виды диэлектрических потерь.

3. Потери на электропроводность.

4. Релаксационные потери.

5. Ионизационные потери.

6. Резонансные потери.

7. Эквивалентные схемы конденсаторов.

8. Диэлектрическая проницаемость.

9. Методы определения диэлектрической проницаемости.

4.2. Исследование термоэлементов на базе термопар

Цель работы: исследование термоэлементов на базе термопар и термостолбиков.

Приборы и принадлежности: лабораторный стенд по исследованию термоэлектрических явлений, термопары и термостолбики.

Теоретическая часть

Температура - статическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинетической энергии движения молекул тела. За единицу температуры принимается градус, равный 1/100 диапазона температур от точки таяния льда до точки кипения воды. Эта единица по шкале Цельсия обозначается 1 ⁰С, а по шкале Кельвина 1 К. [2,4,5,10]

Наибольшее распространение нашли следующие методы измерения температуры [4,5]:

1. Методы, основанные на тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел.

2. Манометрические методы, основанные на изменении давления внутри замкнутого объема при изменении температуры.

3. Методы, в которых используется изменение электрического сопротивления тел при изменении температуры.

4. Термоэлектрические методы.

5. Методы, основанные на использовании электромагнитного излучения нагретых тел.

Приборы для измерения температуры в соответствии с указанными методами можно разделить на: термопары расширения, манометрические термопары, термоэлектрические термопары, терморезисторные термопары, пирометры.

Термоэлектрический метод измерения температуры

Явление термоэлектричества получило широкое применение для измерения температуры и ряда других неэлектрических величин [4,5,10]. В замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, непрерывно течет электрический ток, если места спаев этих проводников имеют различные температуры (эффект Зеебека) [10]. Термоэлектрический эффект положен в основу работы термоэлектрических термометров.

При соприкосновении двух одинаково нагретых проводников из разнородных материалов количество свободных электронов в единице объема первого проводника больше, чем во втором, и электроны будут диффундировать из первого проводника во второй в большем количестве, чем обратно. Таким образом, первый проводник будет заряжаться положительно, а второй - отрицательно. Образующееся при этом в месте спая проводников электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, вследствие чего наступает состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами указанных проводников появится некоторая разность потенциалов (термо-ЭДС) [10].

Согласно электронной теории металлов термо-ЭДС между металлами А и В равна

U_АВ = U_В - U_А + , (4.2.1)

где U_А, U_В - потенциалы соприкасающихся металлов, n_А и n_В - концентрация электронов в металлах А и В, к - постоянная Больцмана, e - заряд электрона.

Величина термо-ЭДС для различных пар металлов колеблется в пределах от десятых долей вольт до нескольких вольт. Кроме того, термо-ЭДС возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры. В этом случае до наступления состояния подвижного равновесия положительно заряжается более нагретый конец проводника, как обладающий большей концентрацией свободных электронов по сравнению с менее нагретым. Возрастание разности температур между концами проводника приводит к увеличению появляющейся в нем термо-ЭДС.

В

Рис. 4.2.1. Принципиальная схема контура термопары

замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников (термоэлектродов) А и В (рис. 4.2.1.), одновременно действуют оба указанных выше фактора. Они вызывают появление в спаях 1 и 2 и между концами каждого однородного термоэлектрода А и В термо-ЭДС. Такая замкнутая цепь проводников называется термопарой. Спай 1, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим концом термопары (горячий спай), а спай 2 - свободным концом (холодный спай). Термоэлектроды (провода) термопары обозначаются знаками «+» и «-» . Положительным термоэлектродом считается тот, по которому ток течет от рабочего конца термопары к свободному.

Термо-ЭДС термопары равна разности двух действующих навстречу суммарных термо-ЭДС, появляющихся на ее концах в спаях 1 и 2 (E = U_AB + U_BA). При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-ЭДС равна нулю. Но когда один из спаев имеет температуру t, а другой t₀, возникает термо-ЭДС, отличная от нуля:

E = U_АВ + U_ВА = U_В - U_А + + U_А- U_В + , (4.2.2)

откуда

, (4.2.3)

где А - постоянная величина для данной пары металлов. Полученное выражение показывает, что термо-ЭДС является функцией разности температур. Измерение температуры при помощи термопары возможно лишь при постоянной и точной температуре ее свободного конца t₀. В этом случае уравнение (4.2.3) примет вид E= f(t). Для различных типов термопар эта функция имеет сложный вид и определяется опытным путем. Зная зависимость, представленную уравнением (4.2.3), находят искомую температуру, располагая рабочий конец термопары в месте измерения и отсчитывая величину термо-ЭДС E. Экспериментальное определение термо-ЭДС термопары в зависимости от температуры рабочего конца t при постоянном значении температуры свободного конца t₀ (обычно равном 0 ⁰С), называется градуировкой термопары, а соответствующая термопара называется дифференциальной параметрической термопарой.

При измерениях температуру свободного конца термопары с целью увеличения термо-ЭДС поддерживают на возможно более низком постоянном уровне. Термо-ЭДС термопары может быть усилена путем применения ряда термопар, соединенных последовательно, причем четные спаи нагреваются, а нечетные - охлаждаются. Такая система термопар называется термостолбиком, имеющим термо-ЭДС

E_N = EN, (4.2.4)

где N - число термопар.

Д

Рис. 4.2.2. Способы включения прибора в контур термопары: а - в свободный конец, б - в термоэлектрод

ля регистрации термо-ЭДС используют милливольтметры. Различают два способа включения милливольтметра в контур термопары: в свободный конец (рис. 4.2.2, а) или в один из ее термоэлектродов (рис. 4.2.2, б). Включение в контур термопары третьего разнородного проводника не влияет на величину развиваемой ею термо-ЭДС, если места присоединения проводника к термопаре имеют одинаковую температуру.