实验7  热电偶的温差特性研究

在金属和半导体中存在电位差时产生电流，存在温差时产生热流。从电子论的观点来看，不论电流还是热流都与电子运动有关，故电位差、温度差、电流、热流之间会存在交叉关系，这就构成了热电效应。

1821年德国物理学家塞贝克（T J Seeback）发现：当两种不同金属导线组成闭合回路时，若在两接头维持一温差，回路就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。

温差电动势一般表示为：

式中的α、β为温差电动势的系数。在一定的温度范围内，温差电动势与温差是成正比，即

两种金属构成回路有赛贝克效应，两种半导体构成回路同样有温差电动势产生，而且效应更为显著。在金属中温差电动势约为几微伏每度，而在半导体中常为几百微伏每度，甚至达到几毫伏每度。因此金属的赛贝克效应主要用于温度测量，而半导体则用于温差发电。金属赛贝克效应测温中，铂-铂铑热电偶可用至高达1700℃的温度；镍铬-镍铝热电偶有更高的灵敏度和与温度成正比的电动势；铜-康铜热电偶在高于室温直至15K的温度范围仍具有高灵敏度；低于4K的温度可用特种金钴合金-铜热电偶或金铁合金-镍隔热电偶。

实验目的

1. 掌握电位差计的工作原理及使用方法。
2. 了解热电偶的原理及制作。
3. 用电位差计测热电偶的温差电系数。

实验仪器

     UJ-36型电位差计（1号1.5V电池4节，9伏电池2节）、热电偶及加热装置、调压器。

实验原理

1. 热电偶测温原理，如图1所示：

把两种不同的金属两端彼此焊接组成闭合回路，若两接点的温度不同，回路中就产生温度差电动势。这两种金属的组合叫热电偶。温差电动势的大小除了和组成的热电偶材料有关外，还决定于两接点的的温度差。将一端的温度t₀固定(称为冷端，实验中利用冰水混合物)，另一端的温度t改变(称为热端)，温差电动势亦随之改变。电动势和温差的关系较复杂，其第一级近似式为

                   E＝α(t -t₀）                        

式中α称为热电偶的温差电系数，其大小取决于组成热电偶的材料。

热电偶可以用电测量温度。用一只已知α值的热电偶，一端温度固定不变，另一端与待测物体接触，再用电位差计测出热电偶回路的电动势，就可以求出待测温度。

由于温差电动势较低，因此在实验中利用电位差计来测量。

2. 电压补偿法发原理

电位差计是利用电压补偿原理而设计的电压测量工具。先来谈一下补偿原理，如图2所示，要知道电阻R两端的电压，一般用一只电压表并到电阻R两端就可以知道其电压值，但电压表有内阻，电压表显示的电压值小于真实值。

图2                                   图3

关键问题：既要测量出电阻R两端的电压值，又不影响被测电路的特征。下面借助外部电路来完成，如图3所示。图中E2为可调电动势，E2与电压表构成第二个回路，电压表显示E2的路端电压U_CD。当U_CD<U_AB时，按下电键T，电流计中有电流通过，方向A→B；当U_CD>U_AB时，按下电键T，电流计中有电流通过，方向A←B；当U_CD=U_AB时，按下电键T，电流计中无电流通过，两回路中无能量交换，此状态被称为“补偿态”，回路2中电压表显示的就是回路1中电阻R两端的电压。

在实际电路中实现可变电压的通常采用滑线变阻器得分压作用，如图4所示。

图4                             图5

3. 电位差计工作原理

电位差计工作原理图如图5所示，回路1为工作回路，回路2为校准电流回路，回路3为测量回路。

在电位差计设计过程中，为了定标方便，工作回路的电流一般为10ⁿA（如0.01A，即10^-2A）。但工作电流由校准回路来调节，Es、Rs都是定值，调节电流调节器，将K掷向s，当工作电流能使工作回路和校准回路达到补偿时，工作电流I为

（如I = 10^-2A= 10 mA）

在测量时，将K掷向x，调节R的滑动片的位置，若在某一位置，其分得电压U（=I×Rx）和被测回路达到补偿，即Vx=U=I×Rx。对于测量仪器，读出的数据不应是电阻(Rx)值，而是通过简单计算得到被测量的电压值Vx（=0.01×Rx）。

实验内容

1. 连接电路

将热电偶的电压端接到电位差计上“未知”端。注意极性，对铜-康铜热电偶中康铜断开，对应冷端为正，相反为负。 电路如图6所示。

图6

2. 校准工作电流

    先将电位差计上功能开关 K调至“标准”，调节面板右上角的“电流调节”旋钮，使检流指“0”，此时工作电流即调好了。

3. 测出室温下的初始电动势

先将K拨至“未知”，然后，调节右下方的读数盘，使检流计指“0”，同时读出温度计和电位差计上读数盘的数值。应注意的是面板上“倍率”开关，若电势差太小，请选用×0.2。

4. 加热测测量

    每升高约 10℃测量一组t和E，共测 6～8组数据(包括室温一组)。

数据处理

1. 列出规范的数据表格，记录实验数据。

2. 用作图法处理数据，以温差电动势(E)为纵坐标，温度差(△t)为横坐标，绘出E～△t图线，并由该图线求出直线斜率，即温差电系数α。

注意事项

1. 电源的极性均不得接反。如果接反了实验中会产生什么现象?
2. 调压器输入输出不能接错，否则，要烧坏仪器；通电后手不能触及接头处，以防触电；调节时动作要缓慢；调压器读数不要超过 200V。
3. 当发现检流计指针偏转剧烈时，应立即松开按钮进行检查。
4. 每次测量时，一定要等温度稳定后再读数。温度稳定的方法是：待温度上升到预测的温度前几度，将调压器的电压降下来，以控制温度上升越来越慢，直到稳定。温度稳定的主要标志是：面板上按钮按下时检流计指针基本不动。
5. 作完实验后，经教师检查数据后才能拆除电路，并将电位差计面板上“倍率”开关旋到“断”。