E.温差电动势的测量.05

实验名称 温差电动势的测量

一、前言

1821年德国物理学家塞贝克（T.J.Seeback）发现：两种不同金属导线两端接合成回路，当结合点的温度不同时，在回路中就会有电流和电动势产生，后来称此为塞贝克效应。其中产生的电动势称为温差电动势，上述回路称为热电偶。

在实际测量中，为了提高测量精度，使测量更加方便快捷，经常将一些非电学量（如温度、速度、长度等）转换为电学量进行测量。热电偶就是这样一种利用温差电效应制作的，将非电学量（温度）转化成电学量（电动势）来测量的一个实际例子。用热电偶测温具有许多优点，如测温范围宽、测量灵敏度和准确度较高、结构简单不易损坏等。此外由于热电偶的热容量小，受热点也可做得很小，因而对温度变化响应快，对测量对象的状态影响小，可以用于温度场的实时测量和监控。因此，热电偶在温度测量、温差发电和控制系统中得到广泛应用。

二、教学目标

1、观察并了解温差电现象。

2、掌握电势差计的工作原理，学会使用箱式电势差计。

3、通过测量热电偶的温差电动势，学会对热电偶进行定标的方法。

4、学会使用光点式检流计。

三、教学重点

1、热电偶的定标。

四、教学难点

1、箱式电势差计的使用。

五、实验原理

两种不同金属（如铜和康铜）组成一个闭合回路，如图1所示，当两个接触点温度不同，则在两接触点间将产生电动势，回路中会出现热电流，此现象称为温差电现象，产生的电动势称为塞贝克电动势，也称为温差电动势。这种由两种不同金属焊接并将接触点放在不同温度下的回路称为热电偶，其高温端称为自由端或工作端，低温端称为自由端或冷端。热电偶的温差电动势大小由热端和冷端的温差决定，其极性热端为正极，冷端为负极，其关系式如下：

（1）

式中为温差电动势，为热端温度，为冷端温度，和是由构成热电偶的金属材料决定的常数。当冷热端温差不大时，，上式可简化为：

（2）

故温差电动势与冷热端温差成线性关系。比率系数称为温差电偶的温差系数或称热电动势率。

将热电偶，电势差计等其他相关仪器组合在一起便构成了热电偶温度计。当已知冷端温度，并测出其温差电动势后，便可求出热端温度：

（3）

显然，使用热电偶温度计测量温度时，必须进行定标。所谓定标就是要确定温差电动势的大小与温度差的对应关系，即确定热电偶温差系数的值。实验中，由于热电偶热端温度不可能很高，故可通过式（2）作出与的线性关系曲线，用图解法求出。如图2所示，在曲线上取与，则有

（4）

六、实验仪器

UJ31型箱式电势差计，直流复射式检流计、铜-康热电偶、标准电池、高稳定直流电源、保温瓶、搪瓷杯、温度计、导线。

1、UJ31型箱式电势差计

箱式电势差计与线式电势差计都是利用补偿法原理，但箱式电势差计不仅测量方便而且提高了测量精度，适用于科研和生产。UJ31型箱式电势差计属于“定流变阻式”电势差计，其简化原理图如图3。图中为工作电源；为工作回路的限流电阻；为标准电池；为待测电动势；称为工作电流调定电阻，提供一个标准电压与标准电池的电动势相互补偿，以确定工作电流；称为测量电阻，提供一个标准电压与未知电动势相互补偿，从而测出待测电动势。

UJ31型箱式电势差计是一种低电势，双量程的电势差计，其工作电流为，需外接的工作电源，其面板如图4所示，各旋钮、按键介绍如下：

(1) 为量程开关。当指向“×10”档时最大量程为171mV，指向“×1”档时最大量程为17.1mV。

(2) 为工作状态转换开关，有“标准”、“测量”和“断开”三种状态。

(3) 接通检流计的按钮式开关，有“粗”和“细”两个。

(4) 为标准电池的温度补偿旋钮，它是一个可调电阻，示值已换算成电压，使用时根据标准电池电动势的大小取值。因标准电池的电动势与温度有关，故此旋钮有温度补偿之称。

(5) 调流盘分为（粗）、（中）、（细）三个调节盘，是为进行电流标准化的调节电阻，便于迅速达到补偿。

(6) 测量盘分为两个步进式测量旋钮、和一个带游标的滑线式转盘，用于调节上的电压降与达到补偿，并由三盘上示值读出待测电动势。

2、直流复射式检流计 AC15/6型

直流复射式光点检流计是一种测量微弱电流（）的磁电式检流计，它无指针，靠光标读数，无固定的零点，一般常用来检测有无电流或作为零位测量法的“指零”仪表。与指针式检流计相比，直流复射式检流计以光路系统代替金属指针，从而减少了指针的转动惯量，缩短了测量的反应时间；光点经过多次反射又增加了“光指针”的长度，提高了测量系统的灵敏度。其使用方法如下：

(1) 待检测电流由左下角标示的“＋”、“－”两个接线端接入，一般不考虑正负。

(2) 电流的大小由投射到刻度尺上的光标来指示。产生光标的电源插口在仪器背面。由于光标电源有AC220V和AC6V两种，所以要注意光标电源的选择开关应和实际相符。

(3) 测量时，应先接通光标电源，见到光标后，将分流器开关由“短路”转到“×0.01”档，观察光标是否指“0”，如果光标不在“0”点，应使用零点调节器和标盘微调器，把光标调在“0”点。如果找不到光标，可以将检流计的分流器开关置于“直接”处，检查仪器内的小灯泡是否发光。

(4) 仪器的偏转线圈并联不同的分流电阻，可以得到不同的灵敏度。使用时，应从检流计的最低灵敏度×0.01档开始测量，如果偏转不大，再逐步提高灵敏度．本实验中要求灵敏度达到“×0.1”。

(5) 测量中当光标摇动不停时，要转向短路档，使线圈作阻尼振动，较快静止下来。检流计悬丝所能承受的最大拉力只有零点几克，所以使用时注意不能振动、倾斜。当实验结束时，必须将分流器置于短路档，以防止线圈和悬丝受到机械振动而损坏。

3、标准电池

标准电池是一种作电动势标准的原电池，分为饱和式（电解液始终是饱和的）和不饱和式两类。不饱和式标准电池的电动势随温度变化很小，一般不必作温度修正，但在恒温下仍有变化，不及饱和式的稳定，而且当电流通过不饱和式标准电池后，电解液增浓，长期使用后会失效。饱和式标准电池的电动势较稳定，但随温度变化比较显著。

本实验所用的为饱和式标准电池，该电池在20℃时的电动势为=1.01860V，在偏离20℃时的电动势可以下式估算：

使用标准电池时需注意正负极不能接错，不能短路，不准用万用表测其端电压，不可摇晃、振荡、倒置，通电时间不能太长，一般仅允许通过小于的电流。

七、实验内容与步骤

1、合理布置仪器，按图4正确连接线路。接线时需断开所有开关，电势差计上应旋至空档位（断开）；旋至“断”档，并注意工作电源、标准电池及热电偶热端、冷端的极性不可接错。

2、接通检流计电源，将分流器旋钮旋至“×0.1”档，调光斑“零位”（即机械调零）。

3、校准电势差计。

(1) 接通工作电源，根据室温由表格查出对应温度下标准电池电动势的值。将电势差计上旋扭转至与相应的值。将拨至“×1”档，拨至“标准”。

(2) 调到6伏左右，点按的“粗”按钮，先后调节（粗）和（中），将检流计光斑对准零刻度线（粗校）；按下的“细”按纽，调节（细）再次将检流计光斑对准零刻度线（细校）。此时工作回路与标准回路达到补偿，电势差计已被校准。

4、测试热电偶温差电动势。

(1) 将电势差计上的拨至“未知1或2”，在保温瓶中放入一定量冷水，并将盖子盖好。读出插入瓶中温度计的示值作为冷端温度。将开水倒入电热杯，盖好盖子，插入其中温度计的示值作为热端温度。选定一个起始测量温度，先进行粗测：点按“粗”按纽，调节和使检流计光斑对准零刻度线；然后进行细测，按下“细”按纽，调节和使检流计光斑再次指零，此时立即记下，再记下、、示值之和，即为热电偶在该瞬时温差下的温差电动势。

(2) 热端温度采用自然冷却法，要求热端温度每下降测一次温差电动势，连续测8组数据，填入表格。

5、实验完毕，处理实验用水，整理仪器。

八、数据表格及数据处理

1、数据表格

2、热电偶温差电动势的定标曲线如下图；

图5 热电偶温差电动势的定标曲线图

取，，如图(58.0，2.336)，(34.0 ,1.315)，则热电偶温差系数

温差电动势的经验方程为：

九、指导要点及注意事项

1、线路接好后，要仔细检查，确认无误方可接通电源，特别要注意正负极的连接，断开电源时，应先断开校准回路。

2、所有的接线必须接好不能出现虚接，标准电池和电势差计的工作电源以及温差电动势的正负极不能接反。

3、量程开关在“×1”“×10”两档中间有一空白档，此时电势差计处于断开状态。实验操作完毕，应将旋置空档位（断开位），旋置“断”档。

4、箱式电势差计必须先粗校（测），再细校（测），保护检流计。

5、电势差计的工作电源电动势必须在要求范围内，如果电压表指示不准可将限流电阻调到中值后调节电压使光斑出现在零刻度线附近。

6、电势差计校准好之后，限流电阻（粗、中、细）不可再调动。因为调动将使工作回路中的电流发生变化，导致补偿状态被破坏。

7、为提高测量精度，减少误差，每测一组数据，都必须检查一下检流计的零点和电势差计的校准状态是否改变，否者应重新校准。

8、测量盘在100到0之间有一小段没有刻度，当游标的零刻度对准此段时，待测回路被断开，检流计将回零，但并不表示电势差计达到补偿状态，切不可认为达到了“平衡”，因此不能读取结果。

9、测量过程中，由于冷端温度基本保持不变，故只需在实验开始和结束时各测一次即可，而热端温度则时刻在变，所测只是一个瞬时值。因此，细测中检流计光斑对零时，应立即读取并记录热端温度，然后再记下、、示值之和即热电偶在该瞬时温差下的温差电动势；否则，因时间延迟过长温度发生较大变化，将导致和不是对应关系，产生较大误差。

10、有时温差电动势的测量结果明显偏大，检查线路和操作却没有明显错误时，可能是因为杯子上的接线柱上附着太多水蒸气，擦干即可。

十、实验管理和成绩记载

1、实验管理

（1）预习检查：检查学生的学生证，检查学生预习报告并签字，随机提问（约占实验学生的四分之一）检查学生的预习情况。无预习报告或预习检查不合格的学生取消当堂课实验资格，重新预约该实验。

（2）操作管理：巡回检查学生的实验操作和实验数据记录情况，及时发现、指导、解决学生在实验操作中遇到的问题，检查完成实验学生的数据记录并签字；对在1小时左右完成实验的学生进行认真的检查并要求其完成实验的选做内容。

（3）实验报告批改：要求学生认真作好实验报告，并于实验后一周内交给任课教师 (地点：主教学楼1楼走廊信箱) ；及时批改学生的实验报告，作好成绩记载并及时发还给学生。

2、成绩记载

平时成绩：实验操作60%；实验报告40%；及时在实验预约单上记载学生平时成绩。

综合成绩：平时成绩60%；考试成绩40%。

十一、实验思考题

1、为什么当两种金属的两个接触点温度不同时会产生温差电动势？它与哪些因素有关？

设有两种不同的金属和，其电子数密度分别为和，电子逸出功为和，且，。当两金属接触时，由金属逸出向金属迁移的电子数将多于从金属到金属的电子数，使带正电，带负电，形成接触电势差。两接触点的接触电势差大小相等，方向相反，闭合回路中没有电流。若将其中一个接触点温度升高，则由能量守恒定律知，该端电子获得的外界能量比另一端要大的多，使得该端接触电势差大于另一端，从而在回路中产生电流（电流在金属内由高温端流向低温端，经金属再回到高温端），两接触点间则产生温差电动势。

由上分析知，温差电动势的产生与金属材料的性质（电子数密度、电子逸出功）和温度有关。

2、温差电动势与温差之间的关系是否是线性关系？在什么情况下是线性关系？

答：根据热电偶温差电动势与其两端温度差的关系式：

如以为轴，作横轴，由上式可得到一条抛物线。即温差电动势与温差之间不是线性关系。当、且温差很小时，式中的二次项可忽略。此时，温差电动势与温差成线性关系，即。

3、在对未知电动势进行测量时，为什么不能调节（粗、中、细）三个旋钮。

在测量未知电动势前，先对工作电流进行了标准化调节，其目的就是要让工作回路提供标准的工作电流，以此电流在工作回路中电阻上的电压降与被测电压进行比较。当两者相等时，回路中没有电流，故能准确测量被测电动势。如测量时调节就将破坏电流的标准状态，若工作电流不标准，则所测的电动势值必然是错误的。所以，在测量未知电动势时不可再调动。

4、如何确定热电偶的正、负极性？

当热电偶的两接触点温度相同时，根据前面分析可知，两处接触电势差大小相等，方向相反。而当一端温度升高时，高温端的接触电势差大于低温端，从而在回路中产生电流，电流由电子数密度大的金属的高温端流向其低温端，然后，再由另一种金属的低温端至高温端，所以高温端应为热电偶的正极、低温端则为负极。

5、为什么电势差计必须经过工作电流标准化后方可进行正确测量？

由于电势差计上是以标准电流流经不同位置时的电压值来示值的，若工作电流不标准，则示值皆错。

6、能不能用提高电源电压的办法来提高电势差计的测量灵敏度？

电势差计示值的精度是由高精度的电阻及高精度的工作电流所决定，提高电源电压并不能改善工作电流的稳定性，故不能用提高电源电压来提高电势差计的灵敏度。

7、电势差计作为第三种金属接入热电偶两种金属之间，对测量结果有无影响？为什么？

对测量结果没有任何影响。因为，根据中间导体定律，由多种金属连接成的回路中，若回路中各接触点所处温度相同，则该回路的电动势的代数和为零。电势差计作为第三种金属，其两个接点的温度都是相同的（室温），所以它的接入对热电偶的性能不产生任何影响。

8、如何用箱式电势差计测电阻、校准电压表和电流表？画出线路示意图，简述实验步骤。