試驗報告-溫差電動勢的測量

1、大學物理實驗報告實驗3-7溫差電動勢的測量一、實驗目的:測量熱電偶的溫差電動勢。二、實驗器材：UJ31型箱式電位差計、熱電偶、光點式或數(shù)字式驗流計、標準電池、直流穩(wěn)壓電源、溫度計、電熱杯、帶溫度顯示的水浴鍋、保溫杯。三、實驗原理：1、熱電偶兩種不同金屬組成一閉合回路時，若兩個接點A、B處于不同溫度To和T，則在兩接點A、B間產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢，這種現(xiàn)象稱為溫差現(xiàn)象。溫 差電動勢 的大小除和熱電偶材料的性質(zhì)有關外，另一決定的因素就是兩個接觸 點的溫度差（T-To）。電動勢與溫差的關系比較復雜，當溫差不大時，取其一級 近似可表示為=C（ T-To）式中C為熱電偶常數(shù)（或稱溫差系數(shù)），等于溫

2、差1C的電動勢，其大小決定 于組成熱電偶的材料。熱電偶可制成溫度計。為此，先將 To固定用實驗方法確定熱電偶的-T關系，稱為定標。定標后的熱電偶與電位差計配合可用于測量溫度。與水銀溫度計 相比，溫差電偶溫度計具有測量范圍大（-2002000C），靈敏度和準確度高,便于實驗遙測和A/D變換等一系列優(yōu)點。2、電位差計電位差計時準確測量電勢差的儀器，其精度很高。用伏 特表測量電動勢Ex，伏特表讀數(shù)為U=Ex_ir，其中R為 伏特表內(nèi)阻。由于UEx,故用伏特表不能準確測量電動勢。只有當1=0時，端電壓U才等于電動勢Ex如圖，如果兩個電動勢相等，則電路中沒有電流通過，1=0, En二Ex。如果ExEn是

3、標準電池，則利用這種互相抵消的方法就能準確地測量被測的電動勢 這種方法稱為補償法，電位差計就是基于這種補償原理而設計的。在實際的電位差中，En必須大小可調(diào)，且電壓很穩(wěn)定。電位差計的工作原.V7-3電缸薑計原理圖理如圖所示，其中外接電源 E、制流電阻Rp和精 密電阻Rab串聯(lián)成一閉合電路，稱為輔助回路。當 有一恒定的標準電流Io流過電阻Rab時，改變Rab 上兩滑動頭C、D的位置就能改變C、D間的電位 差Vcd的大小。由于測量時應保證Io恒定不變，所 以在實際的電位差計中都根據(jù)Io大小把電阻的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電壓值，并標在儀器上。Vcd相當于上面 的“ En ”測量時把滑動頭C、D兩端的電壓Vcd引出

4、與未知電動勢Ex進行比較。(1)校準：根據(jù)標準電池電動勢En的大小，選定C、D間的電阻為Rn， 使EnJoRn，調(diào)節(jié)Rp改變輔助回路中的電流，當驗流計指零時，Rab上的電壓 恰與補償回路中標準電池的電動勢 En相等。由于En和Rn都準確地已知，這時 輔助回路中的電流就被精確地校準到所需要的Io值。(2)測量：把開關倒向Ex邊，只要Ex Io Rn，總可以滑動C、D到C、D使檢流計再度指零。這時C、D間的電壓恰和待測的電動勢Ex相等。設C、D之 間的電阻為Rx，可得Ex = IoRx。因Io已被校準，Ex也就知道了。由于電位差計的實質(zhì)是通過電阻的比較把待測電壓與標準電池的電動勢作 比較，此時有因

5、而只要精密電阻Rab做得很均勻準確、標準電池的電動勢 En準確穩(wěn)定、檢流計足夠靈敏、電源很穩(wěn)定，其測量準確度就很高，且測量范圍可做的很廣。 但是，在電位差計的測量過程中，工作條件常易發(fā)生變化（如輔助回路電源E不穩(wěn)定，制流電阻Rp不穩(wěn)定等），為保證工作電流標準化，每次測量都必須經(jīng)過 校準和測量兩個步驟，且每次要達到補償都要進行細致的調(diào)節(jié)，所以炒作較為繁 瑣、費時。由于數(shù)字式電壓表的精度和準確度都很好， 溫差電動勢的測量也可以采用數(shù) 字電壓表。測量前，需要把數(shù)字電壓表的兩個接線端連接起來， 對數(shù)字電壓表進 行調(diào)零。把數(shù)字電壓表的兩個接線端接在溫差電偶的兩個信號輸出端，選擇合適的電壓量程，就可以開始

6、測量。四、實驗步驟1、給水浴鍋加水至與燒杯內(nèi)水面相平，蓋好蓋子，給保溫杯裝適量水。2、把數(shù)字萬用表調(diào)零。3、將熱電偶的一端置于水浴鍋中，另一端置于保溫杯中。4、將數(shù)字萬用表和熱電偶的紅黑接線柱相連，接通電源，開始實驗5、測量升溫過程不同溫度點的溫差電動勢。從 61C開始，每隔4C測量一 次，至89C為止。數(shù)據(jù)記錄到表3-7-1內(nèi)。注意，在這個溫度梯度中，任選兩組 溫度進行數(shù)據(jù)記錄，作為驗證組。表3-7-1測量數(shù)據(jù)表熱端溫度T/C開爾文溫標T/K降溫電動勢/mV五、數(shù)據(jù)記錄:表3-7-1測量數(shù)據(jù)表熱端溫度T/C61656973驗證組7781驗證組85897583開爾文溫標T/K334338342

7、346348350354356358362降溫電動勢/mV1.291.471.661.821.901.982.152.252.352.51六、數(shù)據(jù)處理1、利用最小二乘法定出溫差系數(shù) C。根據(jù)表3-7-1測量數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)，作圖有:溫差系數(shù)C的測定 _203 5 2 5 15 0y = 0. 0434x-13. 1S6330340350由上圖可知，熱電偶的溫差系數(shù)為C=4.34X 10-2mV/K熱電偶的-T關系為為=4.34X 10-2T-13.186(1)2、-T關系的驗證。將實驗組數(shù)據(jù)帶入(1)式中有驗證 1 =4.34X 10-2 X 348-13.186=1.917mV驗證2=4.34X

8、 10-2 X 356-13.186=2.264mV則的驗證值和真實值之間的誤差為:丨驗證1- 真實1 I100%真實i1.917-1.900100%0.84%1.9001驗證2- 真實21100%真實22.264-2.2502.250100%0.58%七、實驗結(jié)論由以上數(shù)據(jù)處理可知，兩組的驗證值和實驗值的誤差分別為 0、84%和0.58%, 在誤差的范圍內(nèi)，可以認為 驗證仁 真實1，驗證2=真實2。所以溫差電動勢和溫 度之間的關系可以用式子（1）來表示，即=4.34X 10-2T-13.186八、誤差分析1、升溫過快，認為數(shù)據(jù)記錄不夠準確。2、水浴鍋所帶的溫度顯示器所測出的溫度為水浴鍋中水的溫度，不是燒杯 中水的溫度，水浴鍋中的水達到了所需要的溫度而燒杯中的水可能還未達到所需 溫度，這就給數(shù)據(jù)記錄帶來了誤差。九、思考題1、使用電位差計測量位置電壓前要進行哪些操作?答：檢查電位差計量，計量檢定合格證是否真實有效；大致判斷要測量的電 壓范圍，確認是在電位差計的測量范圍之內(nèi)，否則不能進行測量；接線；標準化, 使檢流計指零；將讀數(shù)置于先前估計的范圍內(nèi)；測量。2、如何確定熱