Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни icon

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни




Скачати 192.9 Kb.
НазваМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни
Дата20.06.2012
Розмір192.9 Kb.
ТипДокументи


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО





МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ “фІЗИКА

“ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАРИ І ВИЗНАЧЕННЯ ЇЇ ПИТОМОЇ ТЕРМОЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ”

(РОЗДІЛ “ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ”)

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

^ ДЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ





КРЕМЕНЧУК 2011


Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Градуювання термопари і визначення її питомої електрорушійної сили” ( розділ “Електрика і магнетизм”) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання.


Укладачі: старш. викл. В.І. Скобель, старш. викл. Н. І.Мотрій,

доц. О.В. Сукачов

Рецензент доц. Ю.Г. Мичковський


Кафедра фізики


Затверджено методичною радою КНУ імені Михайла Остроградського

Протокол № ______ від _____________

Заступник голови методичної ради ________________ доц. С.А. Сергієнко


ВСТУП


Дані методичні вказівки розроблені з метою допомогти студентам у комплексному засвоєні певної теми курсу фізики. З цією метою перш за все наведено досить розгорнуті теоретичні відомості з даної теми курсу. Ефективне засвоєння теоретичних відомостей неможливе без набуття практичних навичок засвоєних при розв’язанні задач. Для цього розглянуто достатню кількість прикладів розв’язання задач, а також задачі для самостійної роботи, що дозволяє студентам контролювати якість засвоєння учбового матеріалу.

Фізика є експериментальна наука. Тому невід’ємним елементом курсу фізики є лабораторний практикум. В методичних вказівках детально описано принципові основи того експериментального методу, який застосовується в даній роботі, на основі чого студент зможе зрозуміти зміст своїх дій при виконанні лабораторної роботи. Значна увага приділяється також правильній обробці результатів вимірювань.

Обробка даних сучасного фізичного експерименту базується на широкому використанні комп’ютерів. Тому в методичних вказівках наведено інструкцію щодо оформлення звіту про виконання лабораторної роботи із застосуванням табличного редактора Excel для Windows.


Лабораторна робота № 2-6

^ ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАРИ І ВИЗНАЧЕННЯ ЇЇ ПИТОМОЇ

ТЕРМОЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ

ТЕМА: ”КОНТАКТНІ ЯВИЩА”

МЕТА:вивчення контактних явищ. Експериментальне дослідження залежності

термоелектрорушійної сили від різниці температур спаїв.

^ ТЕХНІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ

Термопара, термометр, сушильна шафа, переносний потенціометр ПП-63,

калькулятор.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Контакт двох різних провідників або напівпровідників являє собою точку або площу їх дотику. Надійні контакти двох провідників одержують шляхом зварювання. Ще у XVIII столітті Вольта встановив, що при дотику двох провідників, виготовлених з різних металів, між ними виникає контактна різниця потенціалів, яка залежить тільки від хімічного складу і температури.

Класична теорія електропровідності металів пояснює природу контактної різниці потенціалів. Контактна різниця потенціалів зумовлена двома чинниками: різним значенням роботи виходу електрона з контактуючих металів і дифузійними переходами електронів.

У вузлах кристалічних граток металів знаходяться позитивно заряджені іони. Простір між іонами заповнений вільними електронами. Позитивно заряджені іони і вільні електрони металу створюють у ньому електричне поле з деяким потенціалом . Це поле перешкоджає виходу електронів за межі металу.

Робота виходу - це мінімальна робота, яку необхідно здійснити проти сил електричного поля для виходу електрона за межі металу. Для різних металів робота виходу різна і становить декілька електрон-вольт.

Розглянемо два різні метали з потенціалом поля частинок 1 і 2. Для виходу електрона за межі першого металу необхідно здійснити роботу проти сил поля

,

де - потенціал поля металу за його межами ,

е - заряд електрона.

Потенціал поля першого металу

.

Потенціал поля другого металу

.

Якщо метали дотикаються, то на їх межі виникає контактна різниця потенціалів:

. (1)

У різних металах концентрація вільних електронів різна. Сукупність вільних електронів у металі класична теорія електропровідності розглядає як одноатомний ідеальний газ. Тиск електронного газу р=nkT,

де k - стала Больцмана;

n - концентрація вільних електронів;

Т - абсолютна температура електронного газу.

Якщо для двох контактуючих металів концентрація вільних електронів n1 і n2 (вважаємо n1< n2), то будуть переважати дифузійні переходи з першого металу до другого. Дифузійні переходи електронів створюють електричне поле з різницею потенціалів

. (2)

Таким чином, контактна різниця потенціалів на межі двох різних металів

. (3)

Розглянемо, які явища може викликати в замкненому колі контактна різниця потенціалів.


1. Припустимо, що коло складається тільки з двох різних металів (рис.1). Таке коло з електровимірювальним приладом або без нього є термопарою. Якщо температури спаїв 1 і 2 термопари однакові, то сумарна електрорушійна сила в колі дорівнює нулю, оскільки при обході кола в будь-якому напрямку контактні різниці потенціалів спаїв 1 і 2 направлені протилежно один до одного.

2. Якщо температури спаїв не однакові (див. рис. 1), наприклад, T2>T1, що можна реалізувати підведенням (або відведенням) кількості теплоти одному зі спаїв, у колі з'являється електрорушійна сила

,

. (4)

Таким чином, нагрівання (або охолодження) одного зі спаїв викликає в колі електричний струм, тобто термоелектрику або явище Зеєбека. Величина

- питома терморушійна сила. Для металів  складає 10-5-10-6 В/К і у невеликому інтервалі температур ця величина стала, а термоелектрорушійна сила прямо пропорційна різниці температур

. (5)

3. Якщо в розрив кола термопари ввести джерело сторонньої електрорушійної сили (рис. 19), то і спаї 1 зовнішня ЕРС і контактна різниця потенціалів будуть направлені однаково, а у спаї 2 - протилежно. При проходженні струму через спай 1 контактна різниця потенціалів прискорює електрони за рахунок енергії кристалічних граток і спай охолоджується. У спаї 2 контактна різниця потенціалів гальмує електрони, які віддають частину своєї енергії кристалічним граткам, спай нагрівається (явище Пельтьє). Це явище використовується в холодильних установках, причому як елементи кола застосовуються напівпровідникові матеріали.

Кількість теплоти, що забирається від одного спаю (або що виділяється в іншому спаї),

,

де I - сила струму;

t - час проходження струму через спай.

^ Метод вимірювання

Крім описаного вище застосування, контактні явища використовуються з такою метою.

1. Для безпосереднього перетворення кількості теплоти на електричну енергію. Коефіцієнт корисної дії такого перетворення за допомогою металевих термопар не перевищує 0,1 %. Питома термоелектрорушійна сила напівпровідникових термопар значно більша, ніж металевих, і може перевищувати 10-3 В/К, коефіцієнт корисної дії перетворення енергії за допомогою напівпровідникових термопар складає до 10 %. У зв'язку з цим для безпосереднього перетворення кількості теплоти на електричну енергію застосовуються напівпровідникові термопари.

^ 2. Металеві термопари застосовуються для вимірювання температур. Принципова схема термометра наведена на рис. 3. Спай 2 термопари вміщується в середовище, температуру якого Т треба виміряти. Провідники спаю 1 підключають до мілівольтметра і термостатуються. Мілівольтметр градуюється безпосередньо в одиницях температури (0С або К). Градуювання термопари з мілівольтметром може бути виконано експериментально без попереднього визначення значення. Для точного вимірювання термоелектрорушійної сили і градуювання термопари застосовуються компенсаційні потенціометри. У потенціометрі електрорушійна сила, що вимірюється, компенсується електрорушійною силою стандартного джерела струму (нормального елемента). У лабораторній роботі застосовується переносний потенціометр ПП-63, градуюється термопара хромель-копель.



Існує стандарт на металеві термопари і межі температур, що вимірюються за їх допомогою:

(ПП) до 1300 0С;

(ХА) до 1000 0С;

(ХК) до 600 0С;

(ЗК) до 600 0С;

(МК) до 300 0С.


З наведених даних зрозуміло, що кожна термопара має обмежений інтервал вимірювання температур. Хімічний склад сплавів, що застосовуються для термопар :

платинородій — 90% Pt + 10% Rh.





Установка для градуювання термопари показана на рис. 4. Спай 2 термопари і термометр З вміщені в сушильну шафу Ш. Сушильна шафа вмикається і вимикається тумблером В. Спай 1 термопари підключається до клем "Х" потенціометра. Температура t1, 0C спаю 1 дорівнює температурі повітря в лабораторії.

^ Порядок виконання роботи

1. Приступаючи до роботи, необхідно ознайомитися з потенціометром ПП-63, не роблячи ніякого перемикання на панелі. Панель приладу має 5 пар клем, 7 тумблерів, 2 спарені регулятори струму і напруги, перемикач опорів, перемикач виду роботи, нуль-гальванометр, кнопки "грубо" і "точно", перемикач межі напруг, що вимірюються, і дві рукоятки перемикання шкали напруг. Для виконання роботи треба користуватися нулем-гальванометром, кнопками "грубо" і "точно", тумблером "питание", рукоятками шкали напруг. Категорично забороняється обертати регулятор "рабочий ток". Ліва рукоятка шкали напруг з’єднана з кроковим перемикачем. Показники в мілівольтах читаються через вікно під рукояткою. Один крок перемикача відповідає напрузі, що вимірюється, 2 мВ (при нульовому показанні гальванометра). Права рукоятка шкали з’єднана з реохордом, відлік за шкалою проводиться через вікно під рукояткою. Шкала реохорда проградуйована в мілівольтах від 0 до 2 мВ. Відлік електрорушійної сили, що вимірюється при нульовому показанні гальванометра проводиться додаванням показань обох шкал.

2. Підключають холодний спай термопари до клем "Х", перемикач "род роботы" ставлять у положення "потенциометр". Тумблер клем "БП" (батарея питания) ставлять у положення "Н" або "В" залежно від зовнішнього або внутрішнього джерела живлення, що застосовується.

3. У присутності керівника занять установлюють обидві шкали напруг на нуль, включають тумблер "живлення", замикають кнопки "грубо" і "точно". Записують початкове значення термометра t1, 0C (температура холодного спаю). Температура спаю 2 на початку вимірювань дорівнює t1 , 0C, а t, 0C=0, термоелектрорушійна сила термопари також дорівнює нулю. Включають сушильну шафу.

4. Унаслідок нагрівання спаю 2 термопари стрілка нуль-гальванометра відходе від нуля. Повільно обертають рукоятку реохорда, утримуючи стрілку поблизу нуля. Слідкують за показанням термометра. При збільшенні температури спаю 2 на 100С роблять відлік термоелектрорушійної сили. Стрілка нуль-гальванометра при зніманні показань шкали повинна знаходитися на нульовій позначці.

5. Продовжують нагрівати спай 2 термопари і вимірюють її термо-електрорушійну силу при різниці температур спаїв 20 0С.

6. Кроковим перемикачем шкали встановлюють показання напруги

2 МВ, а шкалу реохорда виводять на нуль. Обертанням рукоятки реохорда утримують стрілку нуль-гальванометра біля нуля. Вимірюють електрорушійну силу при різниці температур спаїв 300С.

7. Продовжують нагрівання й описаним вище способом (пп. 4-6) вимірюють термоелектрорушійну силу для різниці температур спаїв 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 0С . Розмикають кнопки "точно" і "грубо", тумблер "живлення". Вимикають сушильну шафу і відкривають його.

8. За отриманими з досліду даними будують графік залежності  від t 0С. Масштаб за віссю t (вісь абсцис) - 10 0С на 15 мм; масштаб за віссю  (вісь ординат) - 1 мВ на 20 мм. Залежність  від t0С апроксимують прямою лінією.

9. Вибирають на прямій дві будь-які точки 1 і 2, визначають з графіка два значення t 0C і  і обчислюють термоелектрорушійну силу, В/К

.

Чим далі розміщені одна від одної точки 1 і 2, тим точніше буде визначено .

10. Результати роботи наводять у табл. 1.

Т а б л и ц я 1



п/п

t1,0 С

t2,0С

t, 0C

, мВ

, В/К

1







0







2







10







.







.







11







100








^ Зміст звіту

Назва і номер лабораторної роботи, розрахункові формули, схема електричного кола, таблиця результатів роботи, графік залежності  від t.

^ Контрольні питання

1.Сформулюйте закон Вольта для контактної різниці потенціалів. Якими факторами зумовлена контактна різниця потенціалів?

2.Що називається роботою виходу електрона з металу і як залежить вона від потенціалу поля, що створюється частинками металу?

3.Виведіть складову контактної різниці потенціалів, зумовлену відмінністю роботи виходу.

4.Запишіть і поясніть складову контактної різниці потенціалів, зумовлену дифузійними переходами електронів.

5.Чи буде текти струм у колі, що складається з двох різнорідних провідників, якщо температури обох спаїв однакові? Дайте обгрунтування відповіді.

6.У чому полягає явище термоелектрики? Виведіть формулу термо-електрорушійної сили.

7.Що називається питомою термоелектрорушійною силою термопари і як визначають її експериментально?

8.У чому полягає і як пояснюється явище Пельтьє? Запишіть і поясніть формулу кількості теплоти Пельтьє.

9.З якою технічною метою застосовуються контактні явища?

  1. Поясніть метод визначення термо ерс, що використовується у роботі.


^ ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧ

Приклад № 6.1

Термоелемент опором R=12 Ом, замкнули на мікроамперметр , внутрішній опір якого =200 Ом. Визначити сталу термоелемента, якщо при різниці температур спаїв 120 К мікроамперметр показує 30 мкА.




R=12 Ом

=200 Ом

T=120 К Роз’вязок:

I=30 мкА=310-5 А


Визначити: -?

Відповідно до закону Ома, сила струму в ланцюзі термоелемента:

(6.1)

де -термо -ерс

Термо - ерс

(6.2)


де  - стала термоелемента;

T - різниця температур спаїв.


Виходячи з (6.1) і (6.2), знайдемо шукану сталу термоелемента:



Обчисливши, маємо  =53


Задачі


6.1 Визначити мінімальну швидкість електрона необхідну для іонізації атома водню, якщо потенціал іонізації атома водню Uі=13,6 В.

6.2 Відношення робіт виходу електрона із платини та цезію =1,58. Визначити відношення мінімальних швидкостей теплового руху електронів, які вилітають із цих металів.

6.3 Робота виходу електрона із металу А=2,5 еВ. Визначити швидкість електрона, який вилітає із метала, якщо він має енергію W=10-18 Дж.

6.4 Термопара залізо-константан, стала якої =5,310-5 , то опір R=15 Ом замкнута на гальванометр. Один спай термопари знаходиться в посудині з талим льодом, а другий поміщений в середовищі, термопара якого невідома. Визначити цю термопару, якщо струм через гальванометр I =0,2 мА, а внутрішній опір гальванометра r =150 Ом.


^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Трофимова Т. И. Курс физики.-М.:Высшая школа, 1999 – 542 с.

2. Савельєв И.В. Курс общей физики в 3 томах: - М.: Наука, 1978. - Т.2- 345с

3. Детлаф А.А. Курс фізики у 2 томах. - М.: Вищ.школа, 1977. - Т.2- 431с.

4. Кухлінг Х. Довідник з фізики. - М.: Наука, 1982- 348с.

додаток

Інструкція щодо оформлення звіту

про виконання лабораторної роботи з фізики

із застосуванням табличного редактора Excel для Windows

  1. Після виконання лабораторної роботи і вивчення інструкції щодо оформлення звіту в присутності викладача або лаборанта ввімкнути персональний комп’ютер.

  2. На диску "D" у папці "Студенти" знайти папку своєї групи, (наприклад, шляхом D:\Студент\СУ-07-1), у цій папці знайти файл табличного редактора Excel із зразками звітів* (наприклад, "Зразок лаб.") і відкрити його за допомогою команди „Открыть” в меню „Файл” або за допомогою комбінації клавіш „Ctrl+O(лат.)”.

  3. У книзі (файлі) "Зразок лаб" у вікні редактора Excel знайти ярлик відповідного листка (наприклад, "Лаб. 2-10") і перейти на цей листок.

  4. Внести в комірки таблиць, які виділені кольоровою заливкою, результати вимірів.

  5. У результаті відбудеться обчислення даних за відповідними формулами і побудова відповідних графіків.

  6. Внизу сторінки листа заповнити комірки: "номер групи", "П.І.П", "дата", які виділені кольоровою заливкою. Для цього потрібно виділити відповідну комірку і після завершення введення даних натиснути клавішу „Tab” або „Enter”.

  7. Після цього в меню „Файл” виконати команду „Сoхранить как.”, увести ім'я файла (наприклад, "Іванов-лаб") і зберегти файл у відповідній папці групи (наприклад, у папці "СУ-07-1" шляхом D:\Студент\СУ-07-1\Іванов-лаб).

  8. За необхідності увімкнути принтер, вставити в нього аркуш паперу і роздрукувати сторінку з результатами вимірювань і графіком за допомогою команди 'Печать' в меню 'Файл'.

  9. Завершити роботу в редакторі Excel через меню „Файл”, виконавши команду „Выход”, або за допомогою комбінації клавіш „Alt+F4”.

  10. Вимкнути комп'ютер через меню „ПУСК”, „Завершение работы”, „Выключить компьютер”, „Да”.

*Примітка: в подальшій роботі відкривати файл під своїм прізвищем.

Зразок заповненого звіту

Лабораторна робота №2-6
^ ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАРИ
І ВИЗНАЧЕННЯ ЇЇ ПИТОМОЇ ТЕРМОЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ




























2t2t1)























































Таблиця 8




















з/п

t1, oC

t2, oC

t, oC

, мВ

, мВ/К







1

20

20

0

0,00

0,042







2

30

10

0,38







3

40

20

0,78







4

50

30

1,24







5

60

40

1,57







6

70

50

2,02







7

80

60

2,40







8

90

70

2,76







9

100

80

3,23







10

110

90

3,75







11

120

100

4,12
























































































































































































































































































t1=

25



1,0













t2=

97



4,0































Роботу виконав:

ст. гр.

СУ-07-1

Іванов О.В.

14.10.07.

Роботу перевірив:


















Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Градуювання термопари і визначення її питомої термоелектрорушійної сили “ для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання.


Укладачі:старш. викл. В.І. Скобель, старш. викл. Н.І. Мотрій,

доц. О.В. Сукачов


Відповідальний за випуск зав. кафедри фізики проф. О.І. Єлізаров


Підп. до др. _________ . Формат 60x84 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк.__1__. Наклад _ 50 _ прим. Зам. № . Безкоштовно.


Видавничий відділ КНУ

39614, м. Кременчук , вул. Першотравнева, 20


Схожі:

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України лахно олена геннадіївна
Роботу виконано у Дніпропетровському державному інституті фізичної культури і спорту, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни icon­­­­Про формування варіативної складової
Міністерства освіти І науки, молоді І спорту України, схвалення відповідною комісією Науково–методичної ради з питань освіти Міністерства...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України арєшина юлія борисівна
Роботу виконано в Інституті фізичної культури Сумського державного педагогічного університету імені А. С. Макаренка, Міністерство...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни 01135, м. Київ, проспект Перемоги
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту Автономної Республіки Крим, управління освіти і науки обласних, Київської та Севастопольської...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни національний університет фізичного виховання І спорту україни анікєєв дмитро михайлович
Роботу виконано в Національному університеті фізичного виховання І спорту України, Міністерство освіти І науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України бібік руслан вікторович
Робота виконана в Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України скомороха ольга станіславівна
Роботу виконано в Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України воробйова анастасія володимирівна
Роботу виконано у Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconФорма № н 04 міністерство освіти І науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ міністерство освіти І науки, молоді та спорту автономної республіки крим рвнз «кримський гуманітраний університет» (м. Ялта) інститут економіки та управління кафедра затверджую

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни національний університет фізичного виховання І спорту україни
Роботу виконано у Національному університеті фізичного виховання І спорту України, Міністерство освіти І науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти і науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання і спорту України
Роботу виконано в Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи