實驗研究銅鐵熱電偶的溫差與電勢

摘要：在實驗教學中讓學生理解熱電偶的工作原理、并將自己制作的熱電偶進行定標,從而加深對溫差與電勢理論知識的理解。通過常見的銅鐵兩種不同金屬材料可制作實物演示溫差電現(xiàn)象。將熱學和電學有機地結(jié)合在-起,把非電量溫度的測量轉(zhuǎn)換為電量的測量。不但直觀準確地演示了塞貝克效應和帕爾貼效應,同時也拓展了學生的知識面,滿足了學生的好奇心,引導學生關(guān)心當代工業(yè)發(fā)展動態(tài),提高學生對實驗課的重新認識。
　　溫差發(fā)電現(xiàn)象最早是在金屬中發(fā)現(xiàn)的,對大多數(shù)金屬，這種效應極為微弱[1-2]),因此在目前傳統(tǒng)的普通物理實驗中沒有真正得到重視。本文把金屬材料的熱電勢運用到普通物理實驗中,與溫差熱電偶的實驗相對應,使學生對溫差電現(xiàn)象有一個全面的直觀認識和了解。給出了制作及實驗測試方法,介紹了應用過程,可通過制作實物直觀地顯示并測量兩種不同金屬材料銅與鐵之間的“溫差-電勢”和“溫差一電流”的關(guān)系。培養(yǎng)學生觀察實驗現(xiàn)象、分析問題及動手的綜合能力,從而實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合。
1原理
　　兩種不同材料金屬間的溫度差會導致產(chǎn)生一個電勢,驅(qū)動電流通過一一個電路(塞貝克效應);當電流流過電路時,會產(chǎn)生相反的效應導致兩種不同材料的金屬之間產(chǎn)生溫度差(帕爾貼效應)[3-4]如圖1所示。
 
　　溫差電效應(又稱熱電效應)是-切由電流引起的熱效應和由溫差引|起的電效應的總稱。塞貝克效應,是熱能轉(zhuǎn)換為電能的基本原理。將兩種不同導體A和B組成--個閉合回路(構(gòu)成一個熱偶),若兩個接頭的溫度T1和T2不同(T1>T2),即存在溫差△T時,則在導體A的開路位置x和y之間會產(chǎn)生電動勢Exy這個現(xiàn)象叫作塞貝克效應,相應的電動勢Exy即為塞貝克電動勢,其值非常小。帕爾貼效應是通過在熱電器件回路施加電壓以產(chǎn)生電流,從而在其兩端產(chǎn)生溫差,再通過換熱手段來實現(xiàn)對冷端的降溫或?qū)岫说募訜峁δ堋Ｈ鐖D2所示，產(chǎn)生這種電流的電動勢與節(jié)點溫差和材料的熱電性質(zhì)有關(guān):[5-6]。

2器材與方法
2.1器材
　　通常選用材料有銅絲、鐵絲以及AD620放大器、金屬膜電阻、玻璃杯、電烙鐵、溫度計、數(shù)字電壓表、馬達、指南針和發(fā)光二極管等。
　　設(shè)計制作的發(fā)電部分采用自制銅鐵溫差熱電偶并用熱水杯和室溫形成溫度差;放大部分根據(jù)不同!的放大倍數(shù)可將微弱的電信號進行放大;顯示部分采用多支紅色發(fā)光二極管并聯(lián)拼成-定的圖案,焊接在電路板上,并把該板立放在支架上,以便觀察,測量裝置如圖3所示。測量部分采用數(shù)字毫伏表(圖中顯示為熱電勢)和萬用表自代的數(shù)字溫度計(圖中顯示為溫度)進行顯示。

2.2設(shè)計思想
　　溫差發(fā)電就是塞貝克效應的應用,當金屬材料銅與鐵首尾連接時,如果接點處的溫度不同,則將在回路中產(chǎn)生電流，如圖4所示，其中Th和Tc分別表示高溫端和低溫端的溫度,金屬棒兩端形成的電勢差就是塞貝克電動勢,如圖5所示。由于兩端電勢差的存在,用導線連接金屬棒兩端使其形成閉合回路,則會有電流通過。雖然電流流動會減少冷端電子的堆積,但溫度梯度的存在會使回路中產(chǎn)生持續(xù)的電流。因金屬材料的塞貝克系數(shù)小,導熱系數(shù)大,產(chǎn)生電動勢小,在觀察實驗現(xiàn)象時引入了放大器[7-9]

2.3結(jié)構(gòu)示意圖和框圖
　　電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示;實驗裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示[10-11]

　　圖7的結(jié)構(gòu)框圖中,溫差發(fā)電裝置用于實現(xiàn)溫差發(fā)電;效果檢測部分用于演示溫差是否產(chǎn)生了電;熱電系數(shù)測量部分用于驗證溫差與發(fā)電之間的數(shù)量關(guān)系。

3結(jié)果與分析
3.1塞貝克效應
　　將兩根鐵導線和一根銅導線的端點用沙紙打磨后,用電烙鐵將銅導線的兩端分別與兩根鐵導線接起來。將鐵導線的兩個非連接端分別接在數(shù)字電壓表的兩極。將數(shù)字電壓表的測量范圍設(shè)定成0~200mV。在室溫下先測量電壓,然后用焊烙鐵慢慢靠近其中一個連接端;將溫度傳感器靠近兩個連接端,讀出電壓表與溫度傳感器的數(shù)據(jù)記入表1,并繪制“溫差-電壓”關(guān)系圖,如圖8所示。

3.2帕爾貼效應
　　與3.1節(jié)實驗相同,將一根銅導線的兩端分別與兩根鐵導線的一端相連接;連接元器件組成串聯(lián)電路;調(diào)整直流電源,以使大約10mA的電流流經(jīng)電路。將溫度傳感器靠近兩個連接端,讀出兩端各自的溫度,然后改變流經(jīng)電路的電流,監(jiān)控兩個連接點的溫度,數(shù)據(jù)記入表2。繪制每個連接點的“溫度-電流”關(guān)系圖或“溫差-電流”關(guān)系圖如圖9所示。

4結(jié)論與討論
　　表中測試數(shù)據(jù)是在室溫下,直接測試熱電偶兩端的溫差及產(chǎn)生的電勢,由于測試過程中沒有控制好溫度的變化,測試數(shù)據(jù)有一定的誤差。由表1測試數(shù)據(jù)可以看出,在一-定的誤差范圍內(nèi),隨著溫差的增大,電壓也不斷升高。兩者之間基本上符合線性關(guān)系。
由于其產(chǎn)生的熱電勢不能使二極管發(fā)光,所以
　　在熱電偶輸出端加了不同放大倍數(shù)的放大器。在演示效果電路時可根據(jù)時間選用不同放大數(shù)的放大器將微弱的電信號放大,然后把放大后的電勢溫差發(fā)電實驗裝置的兩個接線柱與電路板上的電源連接(注意正負極)。將電烙鐵靠近熱電偶工作端,加熱一段時間(加熱時間可根據(jù)放大倍數(shù)調(diào)整)就能看到發(fā)光二極管拼成的圖案發(fā)光。加熱時間越長,發(fā)光越強。
該裝置還可演示溫差電效應制冷過程(帕耳貼效應)。將熱電偶與直流電源及電流表串聯(lián),熱電偶的兩端分別放入數(shù)字溫度計。調(diào)節(jié)電路中的電流可發(fā)現(xiàn)兩個溫度計示數(shù)一個升高,-個降低,電流越大,溫差越大。測試數(shù)據(jù)如表2所示。
5結(jié)束語
　　在塞貝克效應實驗中,兩個連接處的溫度差會導致通過電路產(chǎn)生電壓,并且隨著溫差增大,電路端電壓隨著增大;在帕爾貼效應實驗中,當電流流經(jīng)電路時會導致導線連接點處產(chǎn)生溫度差。