Главная | Обратная связь

Обработка результатов измерений

После заполнения таблиц и построения графика осуществляют обработку результатов измерений в следующем порядке.

1. Определение I_c.крпо полученным данным производят численным дифференцированием зависимости I_a = f(I_c). Дифференцирование осуществляют так: по парам ближайших экспериментальных точек таблицы 3.2 находят приращение анодного тока ׀DI_a׀, приращение тока соленоида ׀DI_c׀ и их отношение ׀DI_a /DI_c ׀. Эти результаты заносят в табл.3.3.

 

Таблица 3.3

Результаты численного дифференцирования

 

׀DIa׀, мкА
׀DIc ׀ , мА
׀DIa /DIc ׀, мкА/мА
<Ic> = (Ic1+Ic2)/2, мА

 

По полученным данным строят график зависимости ׀DI_a /DI_c ׀ = f(<I_c>). Точку на оси абсцисс, соответствующую максимуму этой зависимости, принимают за I_c.кр. Абсолютная погрешность D I_c.кр = 5 мА.

2. Расчет удельного заряда электрона производится по формуле (3.9).

3. Оценка погрешности результата осуществляется по формуле

 

.

 

Контрольные вопросы

 

1. В каком случае траектория электрона, движущегося в однородном магнитном поле, представляет собой окружность?

2. При каких условиях траектория электрона, движущегося в скрещенных электрическом и магнитном полях, будет прямолинейной?

3. Что такое сбросовая характеристика магнетрона? Каков ее реальный и идеальный виды?

Литература

Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Изд. центр «Академия», 2007. § 114 – 115.

 

Приложение

Контрольные данные:

Напряжение на аноде U_a = (9,00±0,02) B.

Радиус анода R_a= (5,00±0,02) мм.

Диаметр соленоида D = (38,0±0,2) мм.

Длина соленоида L= (26,00±0,08) мм.

Число витков N = 1450.

 

РАБОТА № 4

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ЭФФЕКТА

 

Цель работы: исследование влияния разности температур на величину термоэлектродвижущей силы.

Приборы и принадлежности:хромель – алюмелевая термопара, ртутный термометр.

 

Краткая теория

Если привести два разных металла в соприкосновение, между ними возникнет разность потенциалов, которая называется контактной. Контактная разность потенциалов вызывается тем, что при соприкосновение металлов часть электронов переходит из одного металла в другой. Граница металла является потенциальным барьером, ограничивающим выход электрона во внешнее пространство. Чтобы вырвать свободный электрон из металла, надо совершить определенную работу. Эта величина называется работой выхода и зависит от природы металла. Из-за различия в величине работы выхода и диффузный поток электронов через границу металлов не будет уравновешенным, и металл с меньшей работой выхода зарядится положительно. Подобным образом и различие концентрации свободных электронов в контактирующих металлах приведет к появлению скачка потенциала в месте контакта.

С точки зрения современных представлений, основанных на зонной теории, появление контактной разности потенциалов связано с различной глубиной потенциальных ям (Е_р), в которых находятся электроны у поверхности металлов, и различием уровней Ферми (рис. 4.1,а).

 

а б

Рис. 4.1. Зонная структура приповерхностных областей металла:

а – металлы не соприкасаются друг с другом;

б – контакт двух металлов.

 

Условием равновесия между контактирующими металлами является равенство энергий, соответствующих уровням Ферми. Это приводит к изменению положения потенциальных ям (рис. 4.1,б) и образованию контактной разности потенциалов, величина которой определяется первым законом Вольты:

 

, (4.1)

 

где A – работа выхода; е – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; Т – температура; n – концентрация свободных электронов в металле.

Если из двух разнородных металлов составить замкнутую цепь (рис. 4.2) и контакты поддерживать при разной температуре Т_A и Т_B , то в цепи пойдет ток.

 

 

Рис. 4.2. Контакты металлов при различных температурах в замкнутой цепи.

 

Причиной появления тока является возникновение термоэлектродвижущей силы. Контактная разность потенциалов, возникающая в спае с большей температурой, окажется больше, чем в холодном. В результате между спаями возникает разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой (т.э.д.с.). Величина термоэ.д.с. зависит только от разности температур и свойств металлов. Во многих случаях оказывается, что т.э.д.с. пропорциональна разности температур спаев:

 

. (4.2)

 

Величина a называется удельной т.э.д.с. или дифференциальной т.э.д.с. Для металлов величинаa порядка десятков мкВ× К^–1 и, как правило, слабо зависит от температуры. У полупроводников она на один-два порядка больше и сильно зависит от температуры.

Удельная т.э.д.с. зависит от концентрации свободных электронов в контактирующих материалах. При введении в один из них или в оба примесей, изменяющих эту концентрацию, но практически не влияющих на кристаллическую структуру, изменяется a.

Вместе с тем удельная т.э.д.с. является структурно чувствительным параметром, существенно меняющимся при структурных превращениях.

Т.э.д.с. широко используется для измерения температур, контроля состава сплавов, структурных изменений и т.д. Измерение температуры осуществляется с помощью термопары: цепи разнородных проводников, имеющих два контакта-спая. Зная температуру одного спая, можно, замерив величину e, определить температуру среды, в которой находится другой спай. Этим пользуются для измерения очень высоких и очень низких температур, а также в случаях, когда нельзя воспользоваться термометром. Для измерения температуры с помощью термопары, ее надо предварительно проградуировать, т.е. определить удельную т.э.д.с. в данном интервале температур. Каждой термопарой можно измерять температуру в определенных пределах, в которых дифференциальная т.э.д.с. данной термопары практически не зависит от температуры. Подобрав соответствующую термопару, можно производить измерения с точностью до сотых долей градуса как при низких, так и при высоких температурах. Если же приходится использовать термопару, для которой удельная т.э.д.с. зависит от температуры (a = f(T)), используются градуировочные таблицы или графики e = f(T). Для измерения низких температур используется пара хромель-алюмель (ХА). Эта термопара градуируется в данной работе.

 

Описание установки

Для градуировки термопары используют либо среды с известными температурами (тающий лед, кипящую воду, плавящийся чистый металл), либо высокоточный термометр, измеряющий температуру в месте спая, как показано на рис. 4.3.

 

 

Рис. 4.3. Схема установки для градуировки термопары

 

Нагревание горячего спая термопары осуществляется с помощью печи, в которую вместе с термопарой помещается термометр (Т). Холодный спай

лучше поместить в среду с заданной температурой (например, в тающий лед), однако в наших измерениях холодным спаем служат контакты проводников измерительной цепи (рис. 4.3), небольшие колебания которой (1–2°) практически не сказываются на требуемой точности измерений.

 

Ход работы

1. Собрать цепь по схеме на рис. 4.3.

2. Включить печь.

3. Исследовать зависимость т.э.д.с. от разности температур контактов в интервале температур 20–150°С, при этом т.э.д.с. для хромель – алюмелевой термопары меняется от 0 до 10 мВ. Считать, что холодный контакт имеет комнатную температуру. Температура горячего спая определяется термометром. Температуру фиксировать через каждый милливольт. Данные занести в табл. 4.1.

4. Получить аналогичную зависимость при уменьшении температуры от 150 до 20°. Данные занести в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Результаты эксперимента

 

e, мВ
DT, K	Нагрев
Охлаждение

 

5. Построить графики зависимости при нагревании и охлаждении и в каждом случае, используя графики, найти среднее значение удельной т.э.д.с:

,

где и – значения т.э.д.с и разность температур, взятые на графике в удобной точке у конца прямой.

6. Рассчитать абсолютные погрешности:

 

7. Записать окончательные результаты.

 

Контрольные вопросы

1. Каковы причины возникновения контактной разности потенциалов и т.э.д.с.?

2. Объяснить возникновение контактной разности потенциалов с точки зрения зонной теории.

3. Объяснить причины влияния состава контактирующих металлов на т.э.д.с.

4. Где применяются термопары?

5. Почему холодный спай термопары может быть заменен контактами различных проводников измерительной цепи?

 

Литература

Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Изд. центр «Академия». 2007. § 246 – 247.

РАБОТА №5