Задание: проградуировать полупроводниковый и металлический термометры сопротивления и термоэлектрические термометры.
Оборудование и принадлежности: установка для проведения измерений температуры.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 1. На платформе смонтирован нагреватель, в который вставлены 5 датчиков температуры: образцовый термометр, металлический термометр сопротивления, полупроводниковый термометр сопротивления, термопары типа ТХА и ТХК. Измеряемые датчиками сигналы поступают в измерительный прибор (измеритель-регулятор «Сосна-002»). На передней панели прибора размещены тумблеры «Сеть», «Нагрев» и цифровой индикатор измерителя температуры. Измерительный прибор инициирует последовательно результаты измеренных сигналов от каждого термометра (верхнее табло) и номер термометра (нижнее табло). Цикл измерения длится 1 минуту. Единицы измерения образцового термометра – [0С], термометров сопротивления – [Ом], термопар – [мВ].
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ
Тепло – энергия, передаваемая на микроскопическом уровне и не связанная с выполнением макроскопической работы. Если при приведении двух тел в тепловой контакт энергия переходит от одного тела к другому посредством теплопередачи, то первое тело называется более нагретым или более горячим, чем второе. Для характеристики различной степени нагретости тела вводится понятие температуры. Температура является макроскопическим параметром, т. е. описывает макроскопическое состояние системы.
Для определения температуры тела используют термометр – небольшую макроскопическую систему, основной частью которой, как правило, является термометрическое тело, приводимое в контакт с телом, температуру которого надо измерить. Термометр устроен таким образом, что при отдаче или поглощении тепла у него может изменяться только один макроскопический параметр, называемый термометрическим параметром, или термометрической величиной. Например, у бытовых ртутных термометров таким параметром является длина ртутного столба в капилляре, которая увеличивается с ростом температуры. В термометрах сопротивления термометрическими телами являются металлические проволоки или полупроводники, термометрическими величинами – их сопротивления (электрическое сопротивление металлов возрастает с повышением температуры, а полупроводников – убывает).
Если две проволоки из разнородных металлов спаять своими концами и включить гальванометр, как показано на рис. 2, то прибор не обнаружит электрического тока, если все места соединений разнородных металлов имеют одну и ту же температуру. Если же нагреть, или охладить один спай, то в цепи возникнет электрический ток, называемый термоэлектрическим током. Совокупность разнородных проводников, спаянных указанным образом, составляет термоэлектрическую пару (кратко – термопару). В термопарных термометрах термометрической величиной является электродвижущая сила, возникающая при наличии разности температур между спаями термопары.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ.
Любой метод измерения температуры требует установления температурной шкалы. Для этого используют некоторые особые точки. По международному соглашению температурную шкалу строят по одной реперной точке – тройной точке воды (Ттр). При Т = Ттр все три фазы воды: лед, жидкая вода и насыщенный пар находятся в равновесии. В абсолютной термодинамической шкале температур (шкала Кельвина) принимается по определению, что Ттр = 273,16 К. 1 кельвин согласно определению составляет 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.
Из уравнения Клапейрона-Менделеева для идеального газа 
и основного уравнения кинетической теории газов 
, где P – давление, V –объем, ν – количество молей газа, R – универсальная газовая постоянная, N – концентрация молекул, 
– среднее значение поступательной кинетической энергии молекул, можно получить следующее выражение, определяющее физический смысл температуры Т:
.
Здесь K – постоянная Больцмана. Таким образом, температура Т выражает среднюю кинетическую энергию молекул.
Температуру Т = 0 К называют абсолютным нулем. Абсолютный нуль может быть определен как такая температура, при которой в теле прекращается тепловое движение и остается только движение частиц, связанное с нулевой энергией.
Температурная шкала Цельсия начинается с температуры таяния льда. Нулевая температура этой шкалы лежит на 273,15 К выше абсолютного нуля и на 0,01 К ниже тройной точки воды. Температуры точек кипения воды (373,15 К) и таяния льда (273,15 К) являются функциями давления; при давлении 1,013×105 Па градус по шкале Цельсия определяется как 10С = (TТочки кипения – TТочки таяния)/100, причем 10С = 1 К. Температура T по шкале Цельсия связана с температурой по шкале Кельвина равенством T = Т – 273,15.
Экспериментальные трудности измерения температуры по абсолютной термодинамической шкале привели к необходимости введения Международной практической температурной шкалы, которая основана на 11 хорошо воспроизводимых реперных точках, характеризующих естественные температуры фазовых превращений (главным образом это температуры затвердевания и кипения), и на интерполяционных уравнениях, используемых между этими точками.
ТЕОРИЯ МЕТОДА
Термометры сопротивления
Качественное различие между металлами и полупроводниками проявляется в характере зависимости удельной проводимости от температуры. С понижением температуры проводимость металлов возрастает и для чистых металлов стремится к бесконечности при приближении температуры к абсолютному нулю. У полупроводников, напротив, с понижением температуры проводимость убывает, а при высоких температурах проводимость полупроводников приближается к проводимости металлов. Такой ход проводимости объясняется тем, что концентрация носителей тока (электронов проводимости) в металлах практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители тока сами возникают в результате теплового движения.
Для большинства металлов сопротивление растет с температурой приблизительно по линейному закону
, (1)
Где R2 и R1 – сопротивление проводника при температурах T2 и T1 соответственно, a – линейный температурный коэффициент сопротивления.
В качестве материала для термометров сопротивления используют металлы с хорошей электрической проводимостью, например платину (a = 3,85×10-3 К-1), никель (a = 6,17×10-3 К-1) и медь (a = 4,27×10-3 К-1).
Зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры приблизительно выражается экспоненциальной функцией:
, (2)
Где R2 и R1 – сопротивление чувствительного элемента при температурах Т2 и Т1; B – некоторая постоянная величина, зависящая от материала, ее численное значение может составлять 3000 – 4000 К.
Термоэлектрические термометры
Зеебек установил, что если электрическая цепь состоит из двух различных металлов или сплавов и точки их соединения (спаи) находятся при различных температурах, то в цепи должен протекать ток. При размыкании цепи на ее концах можно измерить разность потенциалов – так называемую термоэлектродвижущую силу (т. э.д. с.), которая будет мерой разности между измеряемой температурой Т2 и контрольной температурой Т1 холодного спая.
При небольших изменениях температур возникающая т. э.д. с. определяется следующим образом:
, (3)
Где K – коэффициент т. э.д. с., зависящий также и от уровня температуры.
Используя уравнение для т. э.д. с., можно для каждой комбинации материалов термопары построить график зависимости т. э.д. с. термопары от измеряемой температуры Т2, полагая, что температура ее другого спая Т1 = 00С. Если контрольная температура Т1 ¹ 00С, то в измеренное значение т. э.д. с. DЕи нужно внести поправку DЕк, которая соответствует отклонению контрольной температуры от Т1 = 00С:
DЕ = DЕи + DЕк.
Порядок выполнения задания
1. Тумблером «сеть» включить напряжение питания прибора. При этом многоканальный измерительный прибор автоматически устанавливается на измерение температуры в первом канале, т. е. температуры образцового термометра.
2. Тумблером «нагрев» включить нагрев стальной пластины, в которую вставлены электрические термометры. При достижении определенной температуры нагрев пластины автоматически прекратится, показания температуры образцового термометра перестанут увеличиваться.
3. Нажать два раза на сенсор «D» измерительного прибора, чтобы включить «Циклический вывод» – смена каналов измерений начнет осуществляется автоматически по циклу.
НЕ НАЖИМАТЬ ДРУГИХ СЕНСОРОВ!!!!!
4. Подождать несколько минут, пока не установится тепловое равновесие пластины. Записать в таблицу результаты измерений остывания стальной пластины для всех 5 термометров.
5. Построить графики зависимости сопротивления и т. э.д. с. от температуры образцового термометра. По виду этих зависимостей определить типы термометров.
6. По формулам (1), (2) и (3) определить постоянные величины a, b и K для соответствующих термометров.
7. Оценить относительную погрешность измерения температуры изучаемыми термометрами.
На основании проделанных измерений сформулировать цель работы и сделать выводы.
Контрольные вопросы
1. Что такое термометрическое тело и термометрическая величина?
2. Какие температурные шкалы и единицы измерения используются для определения температуры?
3. Как объяснить зависимость сопротивления от температуры для полупроводникового и металлического термометров?
4. Какой физический смысл линейного температурного коэффициента сопротивления? От чего он зависит?
5. Какай физический смысл коэффициента т. э.д. с.? От чего зависит этот коэффициент?
6. Можно ли в качестве термометрической величины использовать объем определенной массы воды?
ЛИТЕРАТУРА:
1. Д. В.Сивухин. Общий курс физики. Т.2, Т.3.
2. Измерения в промышленности. Справочник, Т.2.,1990. М., Металлургия.
3. Сосновский А. Г., Столярова Н. И. Измерения температур, 1970. М.
4. Датчики физических величин. Дж. Аш и соавторы. Перевод с французского. Т. 1, 1990, М.