實(shí)驗研究銅鐵熱電偶的溫差與電勢

摘要：在實(shí)驗教學(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,從而加深對溫差與電勢理論知識的理解。通過(guò)常見(jiàn)的銅鐵兩種不同金屬材料可制作實(shí)物演示溫差電現象。將熱學(xué)和電學(xué)有機地結合在-起,把非電量溫度的測量轉換為電量的測量。不但直觀(guān)準確地演示了塞貝克效應和帕爾貼效應,同時(shí)也拓展了學(xué)生的知識面,滿(mǎn)足了學(xué)生的好奇心,引導學(xué)生關(guān)心當代工業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài),提高學(xué)生對實(shí)驗課的重新認識。
　　溫差發(fā)電現象最早是在金屬中發(fā)現的,對大多數金屬，這種效應極為微弱[1-2]),因此在目前傳統的普通物理實(shí)驗中沒(méi)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(shí)驗中,與溫差熱電偶的實(shí)驗相對應,使學(xué)生對溫差電現象有一個(gè)全面的直觀(guān)認識和了解。給出了制作及實(shí)驗測試方法,介紹了應用過(guò)程,可通過(guò)制作實(shí)物直觀(guān)地顯示并測量?jì)煞N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。培養學(xué)生觀(guān)察實(shí)驗現象、分析問(wèn)題及動(dòng)手的綜合能力,從而實(shí)現理論與實(shí)踐的結合。
1原理
　　兩種不同材料金屬間的溫度差會(huì )導致產(chǎn)生一個(gè)電勢,驅動(dòng)電流通過(guò)一一個(gè)電路(塞貝克效應);當電流流過(guò)電路時(shí),會(huì )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(chēng)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(chēng)。塞貝克效應,是熱能轉換為電能的基本原理。將兩種不同導體A和B組成--個(gè)閉合回路(構成一個(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),則在導體A的開(kāi)路位置x和y之間會(huì )產(chǎn)生電動(dòng)勢Exy這個(gè)現象叫作塞貝克效應,相應的電動(dòng)勢Exy即為塞貝克電動(dòng)勢,其值非常小。帕爾貼效應是通過(guò)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(guò)換熱手段來(lái)實(shí)現對冷端的降溫或對熱端的加熱功能。如圖2所示，產(chǎn)生這種電流的電動(dòng)勢與節點(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、數字電壓表、馬達、指南針和發(fā)光二極管等。
　　設計制作的發(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;放大部分根據不同!的放大倍數可將微弱的電信號進(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(guān)察,測量裝置如圖3所示。測量部分采用數字毫伏表(圖中顯示為熱電勢)和萬(wàn)用表自代的數字溫度計(圖中顯示為溫度)進(jìn)行顯示。

2.2設計思想
　　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(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差就是塞貝克電動(dòng)勢,如圖5所示。由于兩端電勢差的存在,用導線(xiàn)連接金屬棒兩端使其形成閉合回路,則會(huì )有電流通過(guò)。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)生持續的電流。因金屬材料的塞貝克系數小,導熱系數大,產(chǎn)生電動(dòng)勢小,在觀(guān)察實(shí)驗現象時(shí)引入了放大器[7-9]

2.3結構示意圖和框圖
　　電路結構示意圖如圖6所示;實(shí)驗裝置結構框圖如圖7所示[10-11]

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

3結果與分析
3.1塞貝克效應
　　將兩根鐵導線(xiàn)和一根銅導線(xiàn)的端點(diǎn)用沙紙打磨后,用電烙鐵將銅導線(xiàn)的兩端分別與兩根鐵導線(xiàn)接起來(lái)。將鐵導線(xiàn)的兩個(gè)非連接端分別接在數字電壓表的兩極。將數字電壓表的測量范圍設定成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(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據記入表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節實(shí)驗相同,將一根銅導線(xiàn)的兩端分別與兩根鐵導線(xiàn)的一端相連接;連接元器件組成串聯(lián)電路;調整直流電源,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,監控兩個(gè)連接點(diǎn)的溫度,數據記入表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結論與討論
　　表中測試數據是在室溫下,直接測試熱電偶兩端的溫差及產(chǎn)生的電勢,由于測試過(guò)程中沒(méi)有控制好溫度的變化,測試數據有一定的誤差。由表1測試數據可以看出,在一-定的誤差范圍內,隨著(zhù)溫差的增大,電壓也不斷升高。兩者之間基本上符合線(xiàn)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的放大器。在演示效果電路時(shí)可根據時(shí)間選用不同放大數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(shí)驗裝置的兩個(gè)接線(xiàn)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(shí)間(加熱時(shí)間可根據放大倍數調整)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(cháng),發(fā)光越強。
該裝置還可演示溫差電效應制冷過(guò)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字溫度計。調節電路中的電流可發(fā)現兩個(gè)溫度計示數一個(gè)升高,-個(gè)降低,電流越大,溫差越大。測試數據如表2所示。
5結束語(yǔ)
　　在塞貝克效應實(shí)驗中,兩個(gè)連接處的溫度差會(huì )導致通過(guò)電路產(chǎn)生電壓,并且隨著(zhù)溫差增大,電路端電壓隨著(zhù)增大;在帕爾貼效應實(shí)驗中,當電流流經(jīng)電路時(shí)會(huì )導致導線(xiàn)連接點(diǎn)處產(chǎn)生溫度差。