7. Termoelementti - Turun ammattikorkeakoulu
Fysiikan laboratorio Työohje 1/4 LIKe v. 1.0 11/2014 Turun ammattikorkeakoulu Oy ________________________________________________________________________________ Sähkökenttä ja termoelementti 1. Työn tavoite Työn sähkökenttäosassa tutkitaan staattisen sähkökentän muotoa määrittämällä tasapotentiaalipintojen pisteitä ja konstruoimalla niiden perusteella kenttäviivoja. Samalla perehdytään sähkökentän voimakkuuden ja potentiaalin väliseen yhteyteen. Työn termoelementtiosassa perehdytään lämpösähköilmiöön ja sen perusteella toimivaan teollisuudessa yleisessä käytössä olevaan lämpömittariin, termoelementtiin. 2. Työn suoritus Työ kannattaa aloittaa sähkökentän tutkimisella ja käytettävän paperin kuivaamisen aikana tehdään lämpösähköparin lähdejännitteen tutkiminen. Sähkökenttä: Mittausaltaaseen sijoitetaan ja tarvittaessa kiinnitetään teipillä suoraksi A3-kokoinen paperiarkki. Valvoja asettaa altaaseen elektrodit ja esineitä (sähköä johtavasta- ja eristemateriaalista). Piirretään elektrodien ja esineiden ääriviivat paperille. Muovialtaaseen lasketaan niin paljon vettä, että paperi on reilusti veden alla, mutta esineiden yläreuna on selvästi vedenpinnan yläpuolella. A B s . kenttäviiva l tasapot. pinta + U - mittauskynä V6.2002 Kuva 1. Sähkökenttämittauksen periaate. Fysiikan laboratorio Työohje 2/4 LIKe v. 1.0 11/2014 Turun ammattikorkeakoulu Oy ________________________________________________________________________________ Kytketään elektrodien välille n. 20 V:n tasajännite (kuva 1). Haetaan mittauskynällä vedestä kohtia, joissa mittari näyttää 2 V, ja piirretään niistä pisterivi 2 V tasapotentiaalikäyrän piirtämistä varten. Mitataan tasapotentiaalikäyrät paperille 2 V välein elektrodien väliltä ja myös elektrodien takaa (kuva 2). Paperin alueelle sijoitettujen esineiden, sähköä johtavien tai eristeiden (kpl), ympäristö tutkitaan erityisen tarkasti, sillä sähkökenttä käyttäytyy eri tavalla niiden kohdalla. Mittarin sisäisen vastuksen on oltava suuri Rsis 10M . Un + Um _ __ E elektrodi elektrodi kpl V6.2002 Kuva 2. Kahden elektrodin välinen sähkökenttä. Mittauksen päätyttyä paperi kuivataan kuumailmapuhaltimen avulla. Termoelementti: Havaitaan mV-mittarin lukema, kun liitoskohdat ovat samassa lämpötilassa, esim. ilmassa. Hankitaan toiseen astiaan kuumaa vettä (n. 80-celsiusasteista) ja toiseen jäämurskan ja veden seosta. Kumpaakin kannattaa hämmentää ennen havainnon tekoa. Sijoitetaan lämpösähköparit siten, että toinen liitoskohta on kuumassa vedessä ja toinen jää-vesiseoksessa (kuva 3). Mitataan lähdejännite E laajalla lämpötilaeroalueella (0 °C – 80 °C). Annetaan lämpötilan laskea itsestään toisessa astiassa ja mitataan mV-mittarilla lähdejännite E sopivin (esim. 5-8 asteen) välein. Lämpötilan laskua voidaan tarvittaessa nopeuttaa lisäämällä veteen jäämurskaa tai kylmää vettä (muistetaan hämmentää!). Vaihdetaan mV-mittarin johdot keskenään jokaisessa lämpötilassa ja havaitaan lukemat. Tulosten laskemisessa käytetään havaintojen keskiarvoa. Työssä määritetään kerroin , joka on lähdejännitteen lämpötilakerroin, yhtälöstä E = αt + b. Fysiikan laboratorio Työohje 3/4 LIKe v. 1.0 11/2014 Turun ammattikorkeakoulu Oy ________________________________________________________________________________ Kuva 3. Termoelementtien sijoitus vesihauteisiin. 3. Raportointi Sähkökenttä: Kuivalle havaintopaperille täydennetään pisterivit tasapotentiaaliviivoiksi ja lopuksi piirretään, mieluiten erivärisellä kynällä, riittävä määrä kenttäviivoja elektrodilta toiselle. Kenttäviivat leikkaavat tasapotentiaaliviivat aina kohtisuoraan. Kiinnitetään kenttäviivojen piirtämisessä erityistä huomiota esineiden ympäristöihin! Termoelementti: Havainnot esitetään graafisesti lämpötila-lähdejännitekoordinaatistossa ja tasoitetaan suoraksi. Lopputuloksena saadaan kuvan 4 kaltainen graafinen esitys. Lähdejännitteen lämpötilakerroin määritetään suoran E = αt + b kulmakertoimesta ja verrataan kirjallisuuteen. E ( V) E t V 5.2002 t ( oC) Kuva 4. Termoelementin lähdejännite lämpötilan funktiona. Fysiikan laboratorio Työohje 4/4 LIKe v. 1.0 11/2014 Turun ammattikorkeakoulu Oy ________________________________________________________________________________ 4. Teoriaa Sähkökenttä: Sähkökentän voimakkuuden ja potentiaalin välillä on yhtälö E V gradV , (1) missä V = V(x,y,z) on potentiaali kentän eri pisteissä. Jos potentiaalifunktio tunnetaan kentän jokaisessa pisteessä, voidaan sähkökentän voimakkuus kentän jokaisessa pisteessä laskea tästä yhtälöstä. Usein potentiaalifunktiota ei kuitenkaan tunneta, mutta potentiaalin arvoja voidaan määrittää mittaamalla niin monessa pisteessä kuin halutaan. Näin saadaan likimääräinen kuva kentästä. Tässä työssä menetellään juuri näin. Tarkastellaan ensin yksinkertaista tapausta. Kahden yhdensuuntaisen hyvin suuren varatun levyn välissä sähkökenttä on lähes homogeeninen eli E:llä on sama arvo joka kohdassa (sama suuruus ja sama suunta). Kenttävoimakkusvektori on kohtisuorassa levyjä vastaan. Sähkökentän voimakkuuden skalaariarvo on tällöin E U AB VA VB , s s (2) jossa V on potentiaali ja U potentiaaliero eli jännite. Jos levy B on maadoitettu, sen potentiaali on nolla ja tällöin: V (3) E A s Siirryttäessä levyltä B levyyn A päin matkan l, potentiaali muuttuu määrällä V=El. Jos B-levy on nollapotentiaalissa, on tultu pisteeseen, jossa potentiaali on V=El. Tämä potentiaalin arvo on kaikilla niillä pisteillä, jotka ovat etäisyydellä l levystä B. Nämä pisteet muodostavat pinnan, joka tässä tapauksessa on tasopinta. Tällaista saman potentiaalin pisteiden muodostamaa pintaa kutsutaan tasapotentiaalipinnaksi (nivoopinta). Sähköiset kenttäviivat (voima- ja vuoviivat) kulkevat joka kohdassa kohtisuoraan tasapotentiaalipintoja vastaan. Termoelementti: Kun kaksi eri metallia olevaa lankaa kytketään kuvan 3 osoittamalla tavalla, eri lämpötiloissa olevien liitoskohtien välillä havaitaan potentiaaliero, lämpösähköparin lähdejännite (sähkömotorinen voima, emf). mV-mittarin lukema on likipitäen suoraan verrannollinen liitoskohtien lämpötilaeroon. Tätä yhdistelmää voidaan käyttää lämpötilan mittaukseen, kunhan vain lähdejännitteen riippuvuus lämpötilaerosta tunnetaan. Käytännössä toisen liitoskohdan lämpötilaksi asetetaan 0 C (kuva 3) tai teollisuudessa esim. 50 C termostaatilla, jolloin saadaan suoraan toisen liitoskohdan celsiuslämpötila likimääräisestä yhtälöstä E = αt + b.
© Copyright 2024