实验研究铜铁热电偶的温差与电势

摘要：在实验教学中让学生理解热电偶的工作原理、并将自己制作的热电偶进行定标,从而加深对温差与电势理论知识的理解。通过常见的铜铁两种不同金属材料可制作实物演示温差电现象。将热学和电学有机地结合在-起,把非电量温度的测量转换为电量的测量。不但直观准确地演示了塞贝克效应和帕尔贴效应,同时也拓展了学生的知识面,满足了学生的好奇心,引导学生关心当代工业发展动态,提高学生对实验课的重新认识。
　　温差发电现象最早是在金属中发现的,对大多数金属，这种效应极为微弱[1-2]),因此在目前传统的普通物理实验中没有真正得到重视。本文把金属材料的热电势运用到普通物理实验中,与温差热电偶的实验相对应,使学生对温差电现象有一个全面的直观认识和了解。给出了制作及实验测试方法,介绍了应用过程,可通过制作实物直观地显示并测量两种不同金属材料铜与铁之间的“温差-电势”和“温差一电流”的关系。培养学生观察实验现象、分析问题及动手的综合能力,从而实现理论与实践的结合。
1原理
　　两种不同材料金属间的温度差会导致产生一个电势,驱动电流通过一一个电路(塞贝克效应);当电流流过电路时,会产生相反的效应导致两种不同材料的金属之间产生温度差(帕尔贴效应)[3-4]如图1所示。
 
　　温差电效应(又称热电效应)是-切由电流引起的热效应和由温差引|起的电效应的总称。塞贝克效应,是热能转换为电能的基本原理。将两种不同导体A和B组成--个闭合回路(构成一个热偶),若两个接头的温度T1和T2不同(T1>T2),即存在温差△T时,则在导体A的开路位置x和y之间会产生电动势Exy这个现象叫作塞贝克效应,相应的电动势Exy即为塞贝克电动势,其值非常小。帕尔贴效应是通过在热电器件回路施加电压以产生电流,从而在其两端产生温差,再通过换热手段来实现对冷端的降温或对热端的加热功能。如图2所示，产生这种电流的电动势与节点温差和材料的热电性质有关:[5-6]。

2器材与方法
2.1器材
　　通常选用材料有铜丝、铁丝以及AD620放大器、金属膜电阻、玻璃杯、电烙铁、温度计、数字电压表、马达、指南针和发光二极管等。
　　设计制作的发电部分采用自制铜铁温差热电偶并用热水杯和室温形成温度差;放大部分根据不同!的放大倍数可将微弱的电信号进行放大;显示部分采用多支红色发光二极管并联拼成-定的图案,焊接在电路板上,并把该板立放在支架上,以便观察,测量装置如图3所示。测量部分采用数字毫伏表(图中显示为热电势)和万用表自代的数字温度计(图中显示为温度)进行显示。

2.2设计思想
　　温差发电就是塞贝克效应的应用,当金属材料铜与铁首尾连接时,如果接点处的温度不同,则将在回路中产生电流，如图4所示，其中Th和Tc分别表示高温端和低温端的温度,金属棒两端形成的电势差就是塞贝克电动势,如图5所示。由于两端电势差的存在,用导线连接金属棒两端使其形成闭合回路,则会有电流通过。虽然电流流动会减少冷端电子的堆积,但温度梯度的存在会使回路中产生持续的电流。因金属材料的塞贝克系数小,导热系数大,产生电动势小,在观察实验现象时引入了放大器[7-9]

2.3结构示意图和框图
　　电路结构示意图如图6所示;实验装置结构框图如图7所示[10-11]

　　图7的结构框图中,温差发电装置用于实现温差发电;效果检测部分用于演示温差是否产生了电;热电系数测量部分用于验证温差与发电之间的数量关系。

3结果与分析
3.1塞贝克效应
　　将两根铁导线和一根铜导线的端点用沙纸打磨后,用电烙铁将铜导线的两端分别与两根铁导线接起来。将铁导线的两个非连接端分别接在数字电压表的两极。将数字电压表的测量范围设定成0~200mV。在室温下先测量电压,然后用焊烙铁慢慢靠近其中一个连接端;将温度传感器靠近两个连接端,读出电压表与温度传感器的数据记入表1,并绘制“温差-电压”关系图,如图8所示。

3.2帕尔贴效应
　　与3.1节实验相同,将一根铜导线的两端分别与两根铁导线的一端相连接;连接元器件组成串联电路;调整直流电源,以使大约10mA的电流流经电路。将温度传感器靠近两个连接端,读出两端各自的温度,然后改变流经电路的电流,监控两个连接点的温度,数据记入表2。绘制每个连接点的“温度-电流”关系图或“温差-电流”关系图如图9所示。

4结论与讨论
　　表中测试数据是在室温下,直接测试热电偶两端的温差及产生的电势,由于测试过程中没有控制好温度的变化,测试数据有一定的误差。由表1测试数据可以看出,在一-定的误差范围内,随着温差的增大,电压也不断升高。两者之间基本上符合线性关系。
由于其产生的热电势不能使二极管发光,所以
　　在热电偶输出端加了不同放大倍数的放大器。在演示效果电路时可根据时间选用不同放大数的放大器将微弱的电信号放大,然后把放大后的电势温差发电实验装置的两个接线柱与电路板上的电源连接(注意正负极)。将电烙铁靠近热电偶工作端,加热一段时间(加热时间可根据放大倍数调整)就能看到发光二极管拼成的图案发光。加热时间越长,发光越强。
该装置还可演示温差电效应制冷过程(帕耳贴效应)。将热电偶与直流电源及电流表串联,热电偶的两端分别放入数字温度计。调节电路中的电流可发现两个温度计示数一个升高,-个降低,电流越大,温差越大。测试数据如表2所示。
5结束语
　　在塞贝克效应实验中,两个连接处的温度差会导致通过电路产生电压,并且随着温差增大,电路端电压随着增大;在帕尔贴效应实验中,当电流流经电路时会导致导线连接点处产生温度差。