温差电现象的研究

设计性实验电学部分电学八、温差电现象的研究实验简介不同的金属焊接在一起形成一闭合回路，此时只要保证两个焊接头有一定的温度差，回路中就会产生电动势，这就是温差电效应，又称热电效应。利用该原理可制成热电偶温度计。热电偶的测温端的面积和热容量均很小，可测量小范围内的温度或微小热量，且具有灵敏度和准确度高的特点，这对测量材料相变、化学反应和小生物体等的温度有重要意义。本实验研究热电偶温差电动势与焊点温差关系。一、实验目的将两种不同的金属焊接在一起形成一闭合回路，此时只要保证两个焊接头有一定的温度差，回路中就会产生电动势。本实验探索热电偶电动势与焊点温差之间的关系。实验仪器镍铬-镍铝热电偶、电位差计、标准电池、稳压电源、光电检流计、温度计、保温杯实验原理用两种不同金属A和B接成回路，两接头处分别维持不同温度T0和T，就构成热电偶，回路中将产生电动势，称温差电势。此现象首先由T.J.塞贝克在1821年发现，故称塞贝克效应。温差电现象是导体中发生的热能和电能间能量可逆转换的一种形式。热电偶是通过测量温差电动势来间接测量温度的器件。珀耳贴电动势是因不同金属材料中自由电子的密度不同而引起的。在两种金属的结点处，由于两种金属的逸出功不同，金属中自由电子浓度也不同，电子将发生迁移，使一种金属电子过剩，另一金属电子不足，在金属接触面间便出现了电场，该电场阻止电子进一步迁移，当达到动态平衡时，两金属A和B之间就有稳定的电位差，按经典的金属电子理论计算，该接触电位差为：式中是k波尔兹曼常数，e是电子电量，T是金属接触面处的绝对温度。将这两种不同的金属焊接在一起形成一闭合回路时，如果它们两接触点的温度相同，则这两个接触面间的电位差等值而反向，因而回路中接触电位差的总和为零。但如果两接触点的温度不同，则这两个接触面间的电位差虽反向却不等值，因而回路中接触电位差的总和不再为零，其热端和冷端的总接触电势差为：假设自由电子浓度不随温度变化，热电偶温差电动势与两接触点的温度差成正比。从应用角度来讲，这是一种理想状况。如Cu-Fe两材料的温差电动势随温差变化曲线为抛物线。一般说，电动势和温差的关系非常复杂，热电偶回路中产生的温差电动势大小不仅取决于电子扩散而产生接触电势差大小（珀耳帖电动势），而且与因导体两端温度不同而产生电势差（汤姆逊电动势）相关。实际应用时我们将热电偶温差电动势与温差关系写为：式中，T2为热端温度；T1是冷端温度；而α、β是热电偶常数，它们的大小仅决定于组成热电偶的材料。粗略测量时，可取温差一级近似即：本实验研究镍铬-镍铝两种合金材料制成的热电偶的温差电现象，将一个接触点置于冰水中，另一个接触点置于不同的温度下，通过测量温差电动势来寻求这两种材料ε与（t—t0）之间的函数关系。所以如果该热电偶的电动势与温差之间的关系已事先标定好，根据已知曲线，就可以得出待测温度。由于不同金属的自由电子浓度相差很小，而k/e≈8.6×10-5(V/K),所以温差电动势在1000C时大约是毫伏量级，为此实验选用UJ31型电位差计进行测量。实验内容1.查阅UJ31型电位差计使用说明；2.对U31型电位差计正确连线（注意正负极性和稳压源电压取值）；3.对U31型电位差计进行电流标准化；4.测量热电偶冷端温度t00C；5.测量镍铬-镍铝热电偶热端在不同温度t0C时的温差电动势ε，作出ε—（t—t0）图线（每变化50C—100C测一点）；6.再次测量热电偶冷端温度t00C在测量温差电动势时，若电位差计调至零仍不能实现补偿，说明在电位差计上热电偶正负极性接反了。实验要求用三种函数关系式进行最小二乘法拟合，根据相关系数r来确定最终的热电偶电动势与接点温差函数关系式。本实验可入手的创新点1.在两种金属A和B间串接第三种金属导体C，且C的两端保持同一温度T0，则温差电动势与C的材料是否有关，可从理论上推导并用实验加以验证。2.半导体中也存温差电现象，而且比金属导体显著得多。例