Термоэлектричество: понимание термопар и эффекта Зеебека

Детали и материалы

• Длина голой (неизолированной) медной проволоки
• Длина голой (неизолированной) железной проволоки (или алюминия если недоступно)
• Свеча
• Ледяные кубики

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 9: «Electrical Instrumentation Signals»

Обучающие цели

• Иллюстрировать, как функционирует термопара и ее практическое назначение.

Схематическая диаграмма

Иллюстрация

Инструкции эксперимента

1. Скрутите один конец железной проволоки с одним концом медной проволоки. Соедините свободные концы с клеммной полосой. Установите вольтметр на его самый чувствительный диапазон и соедините его с терминалами полосы. Мультиметр должен показывать почти нулевое напряжение.

2. Эта сборка — термопара, устройство, генерирующее напряжение, пропорциональное температурной разнице между ее стыком (скрученным кончиком) и референс-точками на полосе. Когда температура кончика равна температуре полосы, напряжение нулевое.

3. Зажгите свечу и вставьте скрученный кончик в пламя. Наблюдайте за вольтметром: должно появиться положительное напряжение. Уберите кончик, дайте ему остыть и подтвердите возвращение напряжения к почти нулю.

4. Коснитесь кончика кубиком льда. Запишите напряжение; заметьте, больше или меньше оно пламенного чтения и меняет ли полярность. Затем согрейте кончик, держа между пальцами, и наблюдайте тренд напряжения к нулю.

5. Эксперимент демонстрирует эффект Зеебека — генерацию напряжения из-за температурного градиента вдоль проводника. Термопары используют этот принцип; напряжение — разница между Зеебек-напряжениями двух различных металлов.

Научный фон

Термопара состоит из двух разных металлов, соединенных на одном конце. Когда стык испытывает температурную разницу относительно других концов, каждый металл развивает свое собственное Зеебек-напряжение. Измеренное напряжение — разница между этими двумя напряжениями:

Поскольку связь между температурной разницей и напряжением воспроизводима и в значительной степени линейна, термопары широко используются как надежные температурные сенсоры. Выбирая разные пары металлов, можно адаптировать измерительный температурный диапазон.