溫差電效應(yīng)與應(yīng)用

1、背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 1熱電偶與溫差電效應(yīng)熱電偶與溫差電效應(yīng) 若將若將a、b兩根不同的金屬或合金絲的端點(diǎn)互相連接兩根不同的金屬或合金絲的端點(diǎn)互相連接 (接點(diǎn)焊接或熔接接點(diǎn)焊接或熔接)成為一閉合回路，并使兩接點(diǎn)處于不成為一閉合回路，并使兩接點(diǎn)處于不 同溫度如圖同溫度如圖1所示，則由于溫差電效應(yīng)，回路中將產(chǎn)生所示，則由于溫差電效應(yīng)，回路中將產(chǎn)生 電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。這種閉合回路稱為熱電偶。電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。這種閉合回路稱為熱電偶。 1 t 1 t 圖1 接觸電勢(shì)差原理圖 + + a b 2 t 熱電偶回路中產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)是由佩爾捷電動(dòng)勢(shì)和湯姆

2、遜電動(dòng)勢(shì)聯(lián)合組成的熱電偶回路中產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)是由佩爾捷電動(dòng)勢(shì)和湯姆遜電動(dòng)勢(shì)聯(lián)合組成的 b a ab n n tt e k eln)( 12 佩爾捷電動(dòng)勢(shì)：佩爾捷電動(dòng)勢(shì)：在兩種金屬的結(jié)點(diǎn)處，由于電子擴(kuò)散的結(jié)果而產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，在兩種金屬的結(jié)點(diǎn)處，由于電子擴(kuò)散的結(jié)果而產(chǎn)生接觸電勢(shì)差， 其熱端和冷端的總接觸電勢(shì)差為：其熱端和冷端的總接觸電勢(shì)差為： 2 1 t t baab dte 湯姆遜電動(dòng)勢(shì)湯姆遜電動(dòng)勢(shì) ：同一導(dǎo)體的兩端溫度不同而產(chǎn)生電勢(shì)差，在熱電偶回路中，兩種金同一導(dǎo)體的兩端溫度不同而產(chǎn)生電勢(shì)差，在熱電偶回路中，兩種金 屬總的湯姆遜電動(dòng)勢(shì)電勢(shì)為：屬總的湯姆遜電動(dòng)勢(shì)電勢(shì)為： 121212 2 1

3、 ln,tftfdt n n tt e k eette t t ba b a ababab 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的總接觸電勢(shì)和總湯姆遜電勢(shì)所組成，即：熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的總接觸電勢(shì)和總湯姆遜電勢(shì)所組成，即： 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 因此，熱電偶回路中溫差電動(dòng)勢(shì)的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)，因此，熱電偶回路中溫差電動(dòng)勢(shì)的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)， 還決定于兩接觸點(diǎn)的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動(dòng)勢(shì)的還決定于兩接觸點(diǎn)的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動(dòng)勢(shì)的 大小就只決定于兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差，一般說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)和溫差的

4、關(guān)系非大小就只決定于兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差，一般說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)和溫差的關(guān)系非 常復(fù)雜，若取二級(jí)近似，可表為如下形式常復(fù)雜，若取二級(jí)近似，可表為如下形式 2 1212 ttdttceab 2 t 式中，式中， 為熱端溫度；為熱端溫度； 是冷端溫度；而是冷端溫度；而 、 是電偶常數(shù)，它們的是電偶常數(shù)，它們的 大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測(cè)量時(shí)，可取一級(jí)近似大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測(cè)量時(shí)，可取一級(jí)近似 1 t cd 12 ttceab 稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)， 在數(shù)值上等于兩接觸點(diǎn)溫度差為在數(shù)值上等于兩接觸點(diǎn)

5、溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，單位為時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，單位為 毫伏毫伏/度。度。 c 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 2熱電偶測(cè)溫原理和定標(biāo)熱電偶測(cè)溫原理和定標(biāo) 溫差電偶與測(cè)量?jī)x器有兩種連接方式如圖溫差電偶與測(cè)量?jī)x器有兩種連接方式如圖2所示。所示。 m a b 工作端 自由端 1 t 2 t （a） 圖2 m aa bb 工作端 自由端 （b） 1 t 2 t 參考溫度可以是水的三相點(diǎn)（參考溫度可以是水的三相點(diǎn)（273.16 k），液氮（），液氮（ln）的沸點(diǎn)）的沸點(diǎn) （77.35 k），或液氦（），或液氦（lhe）的沸點(diǎn)（）的沸點(diǎn)（4.2 k）等。如果

6、熱電偶工作端與）等。如果熱電偶工作端與 參考端的溫度不等，則有溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。溫差電勢(shì)的大小只與工作端與參考端的溫度不等，則有溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。溫差電勢(shì)的大小只與工作端與 參考端的溫差及電極材料有關(guān)，與電極的長(zhǎng)度，直徑無(wú)關(guān)。用電位差計(jì)測(cè)參考端的溫差及電極材料有關(guān)，與電極的長(zhǎng)度，直徑無(wú)關(guān)。用電位差計(jì)測(cè) 出電偶回路的電動(dòng)勢(shì)，如果該電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫差之間的關(guān)系事先已標(biāo)定出電偶回路的電動(dòng)勢(shì)，如果該電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫差之間的關(guān)系事先已標(biāo)定 好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測(cè)溫度。好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測(cè)溫度。 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 為了測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)，需

7、在閉合回路中接入測(cè)量?jī)x表，如圖為了測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)，需在閉合回路中接入測(cè)量?jī)x表，如圖3 所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計(jì)的電阻絲）串入回所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計(jì)的電阻絲）串入回 路。理論上可以證明，在路。理論上可以證明，在a、b兩種金屬之間插入任何一種金兩種金屬之間插入任何一種金 屬屬c，只要維持它和，只要維持它和a、b的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電 路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由a、b兩種金屬組成的溫差熱電偶兩種金屬組成的溫差熱電偶 中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中是很重要的，圖中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)

8、用中是很重要的，圖 3所示為常用的測(cè)溫線路，即用銅絲所示為常用的測(cè)溫線路，即用銅絲c將溫差電動(dòng)勢(shì)接送電位差將溫差電動(dòng)勢(shì)接送電位差 計(jì)是常見(jiàn)的用法。計(jì)是常見(jiàn)的用法。 注：注： a b c c 電位差計(jì) 圖3 1 t 1 t 2 t 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 溫差電偶測(cè)量溫度的優(yōu)點(diǎn)：溫差電偶測(cè)量溫度的優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)量范圍廣：可以從測(cè)量范圍廣：可以從4.2k(268.950c)的深低溫直至的深低溫直至28000c的的 高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫(2000)。 測(cè)量精度高：因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量精度

9、高：因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 靈敏度和準(zhǔn)確度高靈敏度和準(zhǔn)確度高(可達(dá)可達(dá)103度度)，特別是鉑姥，特別是鉑姥鉑熱電偶。鉑熱電偶。 受熱面積和熱容量可做得很小，如研究金相變化、小生物體溫變化，受熱面積和熱容量可做得很小，如研究金相變化、小生物體溫變化， 水銀溫度計(jì)則難于可比。水銀溫度計(jì)則難于可比。 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而 且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。 由于熱電偶測(cè)溫是將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量，因而

10、非常適用由于熱電偶測(cè)溫是將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量，因而非常適用 于自動(dòng)調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。于自動(dòng)調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 定標(biāo)：定標(biāo)： 所謂定標(biāo)就是設(shè)法確定溫差電勢(shì)的大小與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān)所謂定標(biāo)就是設(shè)法確定溫差電勢(shì)的大小與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān) 系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點(diǎn)法，即利用純物質(zhì)在一系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點(diǎn)法，即利用純物質(zhì)在一 定的氣壓下，把它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為已知溫度定的氣壓下，把它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為已知溫度(例如，水的例如，水的 沸點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為沸點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為100 ；錫的熔點(diǎn)為；錫的熔點(diǎn)為2318；鋅；鋅

11、的熔點(diǎn)為的熔點(diǎn)為4198)，測(cè)出溫差電偶在這些溫度下對(duì)應(yīng)的電，測(cè)出溫差電偶在這些溫度下對(duì)應(yīng)的電 動(dòng)勢(shì)，從而得出動(dòng)勢(shì)，從而得出 關(guān)系曲線。固定點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系曲線。固定點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)的 溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度 點(diǎn)數(shù)較少。點(diǎn)數(shù)較少。 另一種是比較法，即利用另一種是比較法，即利用標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測(cè)量同一標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測(cè)量同一 溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準(zhǔn)。此法溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準(zhǔn)。此法 簡(jiǎn)單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計(jì)準(zhǔn)確度的簡(jiǎn)單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)

12、準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計(jì)準(zhǔn)確度的 限制。限制。 te 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 一、利用實(shí)驗(yàn)室給定的儀器設(shè)備，采用比較法對(duì)由銅康銅組成的一、利用實(shí)驗(yàn)室給定的儀器設(shè)備，采用比較法對(duì)由銅康銅組成的“熱熱 電偶溫度計(jì)電偶溫度計(jì)”定標(biāo)；定標(biāo)； 二、用定好標(biāo)的二、用定好標(biāo)的“熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)”測(cè)量水沸騰時(shí)的溫度。測(cè)量水沸騰時(shí)的溫度。 注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)： 1、熱電偶對(duì)溫度有很強(qiáng)的敏感性，對(duì)于康銅熱電偶，溫度每改變、熱電偶對(duì)溫度有很強(qiáng)的敏感性，對(duì)于康銅熱電偶，溫度每改變 10 ，溫差電動(dòng)勢(shì)約變化，

13、溫差電動(dòng)勢(shì)約變化40v，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)使電位差計(jì)與，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)使電位差計(jì)與 待測(cè)物體隔開(kāi)一定距離，以保持與兩銅引線相接的儀器的兩黃銅接待測(cè)物體隔開(kāi)一定距離，以保持與兩銅引線相接的儀器的兩黃銅接 線柱處的溫度相同，可避免兩接點(diǎn)因溫度有差異而產(chǎn)生附加的溫差線柱處的溫度相同，可避免兩接點(diǎn)因溫度有差異而產(chǎn)生附加的溫差 電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)。 2、在升溫過(guò)程中，應(yīng)盡可能慢些，以保證溫度計(jì)與溫差電偶所測(cè)的、在升溫過(guò)程中，應(yīng)盡可能慢些，以保證溫度計(jì)與溫差電偶所測(cè)的 溫度是相同的。若用電位差計(jì)測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)、電位差計(jì)應(yīng)跟蹤電動(dòng)勢(shì)溫度是相同的。若用電位差計(jì)測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)、電位差計(jì)應(yīng)跟蹤電動(dòng)勢(shì) 變化，始終使電位差計(jì)指針

14、在平衡點(diǎn)附近，以求電動(dòng)勢(shì)讀數(shù)盡可能變化，始終使電位差計(jì)指針在平衡點(diǎn)附近，以求電動(dòng)勢(shì)讀數(shù)盡可能 與溫度計(jì)讀數(shù)處于相同時(shí)刻。與溫度計(jì)讀數(shù)處于相同時(shí)刻。 背景資料背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1作圖法作圖法 根據(jù)所測(cè)量數(shù)據(jù)，以溫差根據(jù)所測(cè)量數(shù)據(jù)，以溫差 為橫坐標(biāo)，溫差電動(dòng)勢(shì)為橫坐標(biāo)，溫差電動(dòng)勢(shì) 為縱坐為縱坐 標(biāo)，在坐標(biāo)紙上畫(huà)出定標(biāo)曲線（即標(biāo)，在坐標(biāo)紙上畫(huà)出定標(biāo)曲線（即 曲線），并由此求電曲線），并由此求電 偶常數(shù)偶常數(shù)c和水的沸點(diǎn)溫度和水的沸點(diǎn)溫度t。 t e te 2最小二乘法最小二乘法 根據(jù)所測(cè)量數(shù)據(jù)，用最小二乘法求其線性回歸方程，由此計(jì)根據(jù)所測(cè)量數(shù)據(jù)，用最小二乘法求其線性回歸方程，由此計(jì) 算出電偶常數(shù)算出電偶常數(shù)c及標(biāo)準(zhǔn)差。及標(biāo)準(zhǔn)差。