實(shí)驗(yàn)研究銅鐵熱電偶的溫差與電勢(shì)

摘要：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讓學(xué)生理解熱電偶的工作原理,、并將自己制作的熱電偶進(jìn)行定標(biāo),從而加深對(duì)溫差與電勢(shì)理論知識(shí)的理解。通過常見的銅鐵兩種不同金屬材料可制作實(shí)物演示溫差電現(xiàn)象。將熱學(xué)和電學(xué)有機(jī)地結(jié)合在-起,把非電量溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的測(cè)量,。不但直觀準(zhǔn)確地演示了塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng),同時(shí)也拓展了學(xué)生的知識(shí)面,滿足了學(xué)生的好奇心,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)心當(dāng)代工業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài),提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重新認(rèn)識(shí),。
　　溫差發(fā)電現(xiàn)象最早是在金屬中發(fā)現(xiàn)的,對(duì)大多數(shù)金屬，這種效應(yīng)極為微弱[1-2]),因此在目前傳統(tǒng)的普通物理實(shí)驗(yàn)中沒有真正得到重視,。本文把金屬材料的熱電勢(shì)運(yùn)用到普通物理實(shí)驗(yàn)中,與溫差熱電偶的實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng),使學(xué)生對(duì)溫差電現(xiàn)象有一個(gè)全面的直觀認(rèn)識(shí)和了解,。給出了制作及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法,介紹了應(yīng)用過程,可通過制作實(shí)物直觀地顯示并測(cè)量?jī)煞N不同金屬材料銅與鐵之間的“溫差-電勢(shì)”和“溫差一電流”的關(guān)系。培養(yǎng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,、分析問題及動(dòng)手的綜合能力,從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合,。
1原理
　　兩種不同材料金屬間的溫度差會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì),驅(qū)動(dòng)電流通過一一個(gè)電路(塞貝克效應(yīng));當(dāng)電流流過電路時(shí),會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)導(dǎo)致兩種不同材料的金屬之間產(chǎn)生溫度差(帕爾貼效應(yīng))[3-4]如圖1所示。
 
　　溫差電效應(yīng)(又稱熱電效應(yīng))是-切由電流引起的熱效應(yīng)和由溫差引|起的電效應(yīng)的總稱,。塞貝克效應(yīng),是熱能轉(zhuǎn)換為電能的基本原理,。將兩種不同導(dǎo)體A和B組成--個(gè)閉合回路(構(gòu)成一個(gè)熱偶),若兩個(gè)接頭的溫度T1和T2不同(T1>T2),即存在溫差△T時(shí),則在導(dǎo)體A的開路位置x和y之間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)Exy這個(gè)現(xiàn)象叫作塞貝克效應(yīng),相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)Exy即為塞貝克電動(dòng)勢(shì),其值非常小。帕爾貼效應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷端的降溫或?qū)岫说募訜峁δ?。如圖2所示,，產(chǎn)生這種電流的電動(dòng)勢(shì)與節(jié)點(diǎn)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(jì)、數(shù)字電壓表,、馬達(dá),、指南針和發(fā)光二極管等。
　　設(shè)計(jì)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(hào)進(jìn)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(cè)量裝置如圖3所示,。測(cè)量部分采用數(shù)字毫伏表(圖中顯示為熱電勢(shì))和萬(wàn)用表自代的數(shù)字溫度計(jì)(圖中顯示為溫度)進(jìn)行顯示,。

2.2設(shè)計(jì)思想
　　溫差發(fā)電就是塞貝克效應(yīng)的應(yīng)用,當(dāng)金屬材料銅與鐵首尾連接時(shí),如果接點(diǎn)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(shì)差就是塞貝克電動(dòng)勢(shì),如圖5所示,。由于兩端電勢(shì)差的存在,用導(dǎo)線連接金屬棒兩端使其形成閉合回路,則會(huì)有電流通過。雖然電流流動(dòng)會(huì)減少冷端電子的堆積,但溫度梯度的存在會(huì)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(dǎo)熱系數(shù)大,產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)小,在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電;效果檢測(cè)部分用于演示溫差是否產(chǎn)生了電;熱電系數(shù)測(cè)量部分用于驗(yàn)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(yīng)
　　將兩根鐵導(dǎo)線和一根銅導(dǎo)線的端點(diǎn)用沙紙打磨后,用電烙鐵將銅導(dǎo)線的兩端分別與兩根鐵導(dǎo)線接起來(lái)。將鐵導(dǎo)線的兩個(gè)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(cè)量范圍設(shè)定成0~200mV,。在室溫下先測(cè)量電壓,然后用焊烙鐵慢慢靠近其中一個(gè)連接端;將溫度傳感器靠近兩個(gè)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(yīng)
　　與3.1節(jié)實(shí)驗(yàn)相同,將一根銅導(dǎo)線的兩端分別與兩根鐵導(dǎo)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(gè)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(gè)連接點(diǎn)的溫度,數(shù)據(jù)記入表2,。繪制每個(gè)連接點(diǎn)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(cè)試數(shù)據(jù)是在室溫下,直接測(cè)試熱電偶兩端的溫差及產(chǎn)生的電勢(shì),由于測(cè)試過程中沒有控制好溫度的變化,測(cè)試數(shù)據(jù)有一定的誤差。由表1測(cè)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(shì)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(shí)可根據(jù)時(shí)間選用不同放大數(shù)的放大器將微弱的電信號(hào)放大,然后把放大后的電勢(shì)溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置的兩個(gè)接線柱與電路板上的電源連接(注意正負(fù)極),。將電烙鐵靠近熱電偶工作端,加熱一段時(shí)間(加熱時(shí)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(shí)間越長(zhǎng),發(fā)光越強(qiáng)。
該裝置還可演示溫差電效應(yīng)制冷過程(帕耳貼效應(yīng)),。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(jì),。調(diào)節(jié)電路中的電流可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)溫度計(jì)示數(shù)一個(gè)升高,-個(gè)降低,電流越大,溫差越大。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示,。
5結(jié)束語(yǔ)
　　在塞貝克效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,兩個(gè)連接處的溫度差會(huì)導(dǎo)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(yīng)實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)電流流經(jīng)電路時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線連接點(diǎn)處產(chǎn)生溫度差,。