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象。將熱學和電學有機地結合在-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”的關系。培養(yǎng)學生觀察實驗現象、分析問題及動手的綜合能力,從而實現理論與實踐的結合。
1原理
　　兩種不同材料金屬間的溫度差會導致產生一個電勢,驅動電流通過一一個電路(塞貝克效應);當電流流過電路時,會產生相反的效應導致兩種不同材料的金屬之間產生溫度差(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之間會產生電動勢Exy這個現象叫作塞貝克效應,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生電流,從而在其兩端產生溫差,再通過換熱手段來實現對冷端的降溫或對熱端的加熱功能。如圖2所示，產生這種電流的電動勢與節(jié)點溫差和材料的熱電性質有關:[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行放大;顯示部分采用多支紅色發(fā)光二極管并聯拼成-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。測量部分采用數字毫伏表(圖中顯示為熱電勢)和萬用表自代的數字溫度計(圖中顯示為溫度)進行顯示。

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,如果接點處的溫度不同,則將在回路中產生電流，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生持續(xù)的電流。因金屬材料的塞貝克系數小,導熱系數大,產生電動勢小,在觀察實驗現象時引入了放大器[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)電裝置用于實現溫差發(fā)電;效果檢測部分用于演示溫差是否產生了電;熱電系數測量部分用于驗證溫差與發(fā)電之間的數量關系。

3結果與分析
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據記入表1,并繪制“溫差-電壓”關系圖,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電路;調整直流電源,以使大約10mA的電流流經電路。將溫度傳感器靠近兩個連接端,讀出兩端各自的溫度,然后改變流經電路的電流,監(jiān)控兩個連接點的溫度,數據記入表2。繪制每個連接點的“溫度-電流”關系圖或“溫差-電流”關系圖如圖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生的電勢,由于測試過程中沒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,隨著溫差的增大,電壓也不斷升高。兩者之間基本上符合線性關系。
由于其產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。在演示效果電路時可根據時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,熱電偶的兩端分別放入數字溫度計。調節(jié)電路中的電流可發(fā)現兩個溫度計示數一個升高,-個降低,電流越大,溫差越大。測試數據如表2所示。
5結束語
　　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,當電流流經電路時會導致導線連接點處產生溫度差。