Измерительная техника. ЭДС (электродвижущая сила) для начинающих физиков: что это такое? Порядок выполнения работы

С возбужденными Резонансными Микрокластерными структурами (РМ) и Сверхкогерентным Излучением (СИ) (sb22.pdf , sb22.htm , ikar.pdf , sb43-1.pdf , sb43-1.htm , svg_avt.pdf , sb44-2.pdf , sb44-2.htm).

Рис.2. "ДСИ", мини комплект: 1,2 - вспомогательные электроды, 3 - датчик ЭДС, 4 -мультиметр. Регистрация ЭДС: К - исходная водопроводная вода ЭДС=+197,5 мВ ; А - активированная вода после установки "Изумруд-СИ" (мод.01os-50) ЭДС=- 196,5 мВ .

1. Способ регистрации свойств неравновесной жидкости (Широносов В.Г. - Способ определения активности структурированной жидкости. Заявка на изобретение РФ №2007127132 от 16.07.2007 pat_2007127132.pdf . Международная заявка на изобретение по PCT A18058 от 14.07.2008).
2. Способ детектирования кластерной структуры и микрокластеров жидкости (Широносов В.Г., Кузнецов Е.В. Заявка на изобретение РФ №2007127133 от 16.07.2007 pat_2007127133.pdf . Международная заявка на изобретение по PCT A18056 от 14.07.2008) .

Особенности измерения ОВП для неравновесных систем в области отрицательных значений. см. faq.htm ответ от 11.05.2009 -
...Удобные в работе портативные коммерческие приборы (карандаши) изготовлены на основе электродов, секреты производства которых не раскрываются. Калибровка таких приборов по стандартным растворам красной и желтой кровяной соли в области положительных ОВП не дает никакой гарантии на правильность показаний при отрицательных ОВП. Использование платиновых электродов и стандартных электродов сравнения (например, хлор-серебряных), на первый взгляд гарантирует правильный результат.
Однако здесь большое значение имеет чистота платинового электрода. Измеряемой величиной является разность потенциалов между двумя электродами. Входное сопротивление измерительной цепи велико, но не бесконечно, оно составляет обычно 10^10 - 10^12 Ом.

см. http://www.o8ode.ru/article/onew/water_ovp/
Часть 1. Измерение ОВП
... Найдено, что большое значении при измерениях с помощью платиновых электродов играют величина площади электродов, «гладкость» поверхности, обработка электрода перед измерениями, а также структура металла.
Чем больше площадь электрода, выше чистота обработки, применены специальные методы удаления окисных слоев, тем электрод более чувствителен к изменению содержания кислорода в воде и имеет более отрицательную величину потенциала.
Так, например, мы взяли партию в 100 шт платиновых лабораторных электродов типа ЭПЛ-02, изготовливаемых на Гомельском ЗИП (Беларусь), и провели измерения в воде с различным содержанием кислорода. Платина у этих электродов представляет шарик диаметром примерно 1мм, вплавленный в стекло. Разброс потенциалов у таких электродов на уровне воды, имеющей потенциал минус 200 мВ, составлял 150 мВ. При просмотре поверхности платины под микроскопом видно, что поверхность неровная, изрытая ямками, которые возникли при обработке платины в газовой горелке.
Гораздо лучшая воспроизводимость получается, если брать платину в виде отполированной проволоки диаметром более 1,5 мм и длиной 2-3 мм или в виде диска диаметром 1 см электроды фирмы «ЮМО» (Германия).
Дополнительно к качеству поверхности платины и её площади важное значение имеет обработка электрода в некоторых восстановительных растворах.
Мы проанализировали «качество» платиновых электродов у портативных ОВПметров как правило китайского производства. К сожалению, из-за экономии платины (стоимость платины сейчас составляет почти 2000 руб/г) все электроды не отвечают вышеназванным требованиям для получении достаточно достоверных и воспроизводимых результатов.
Подводя итоги, можно в большой мере утверждать, что при отсутствии в воде редокс-систем типа Fe^2+/Fe^3+ потенциал платинового электрода (ОВП) во многом определяется количеством растворенного кислорода.

Рис.3. Пример регистрации двумя ОВП-метрами из одной партии ОВП: буферноого раствора ОВП_001= +281 мВ , ОВП_002=+ 289 мВ .

Термопара (термоэлектрический преобразователь) - устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т 1 , мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т 2 , которое будет пропорционально разности температур Т 1 и Т 2 .

Преимущества термопар

• Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
• Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
• Простота.
• Дешевизна.
• Надёжность

• Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
• На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
• Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
• Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
• Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
• На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

• платинородий-платиновые - ТПП13 - Тип R
• платинородий-платиновые - ТПП10 - Тип S
• платинородий-платинородиевые - ТПР - Тип B
• железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК - Тип J
• медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн - Тип Т
• нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН - Тип N.
• хромель-алюмелевые - ТХА - Тип K
• хромель-константановые ТХКн - Тип E
• хромель-копелевые - ТХК - Тип L
• медь-копелевые - ТМК - Тип М
• сильх-силиновые - ТСС - Тип I
• вольфрам и рений - вольфрамрениевые - ТВР - Тип А-1, А-2, А-3

Для использования онлайн калькулятора в поле «Термо-ЭДС (мВ)» необходимо ввести значение термо-ЭДС термопары, так же следует учитывать, что температура будет отображаться без учета температуры окружающей среды. Для удобства пользования онлайн калькулятором в поле «Температура окруж. среды» необходимо ввести температуру окружающей среды в °С и все показания будут с утечем температуры окружающей среды.

Онлайн калькулятор перевода термо-ЭДС в температуру (°С) для термопары типа хромель-алюмель — ТХА — Тип K.

Онлайн калькулятор

типа хромель-алюмель — ТХА — Тип K.

Онлайн калькулятор перевода термо-ЭДС в температуру (°С) для термопары типа

хромель-копель — ТХK — Тип L.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа хромель-копель — ТХK — Тип L.

При подсчете температуры следует учитывать следующую особенность, что температура T=Tтерм(мВ)+Tокруж(мВ) >°С, а выражение T=Tтерм(мВ) >°С + Tокруж(°С) является не правильным , поэтому конвертер температуры преобразует окружающую температуру в мВ, прибавляет ее к показаниям термопары и только после этого преобразует мВ в °С.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа родий-платина — ТПП — Тип R.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа родий-платина — ТПП — Тип S.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа родий-платина —ТПР — Тип B.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа железо — константан — ТЖК - Тип J.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа медь — константан — ТМК - Тип T.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа хромель — константан — ТХКн - Тип E.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа нихросил — нисил — ТНН - Тип N.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа вольфрам — рений — ТВР A-1, A-2, A-3.

Онлайн калькулятор перевода температуры (°С) в термо-ЭДС (мВ) для термопары

типа медь — копель — ТМК - Тип M.

Что такое ЭДС (электродвижущая сила) в физике? Электрический ток понятен далеко не каждому. Как космическая даль, только под самым носом. Вообще, он и ученым понятен не до конца. Достаточно вспомнить Николу Тесла с его знаменитыми экспериментами, на века опередившими свое время и даже в наши дни остающимися в ореоле тайны. Сегодня мы не разгадываем больших тайн, но пытаемся разобраться в том, что такое ЭДС в физике .

Определение ЭДС в физике

ЭДС – электродвижущая сила. Обозначается буквой E или маленькой греческой буквой эпсилон.

Электродвижущая сила - скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (сил неэлектрического происхождения ), действующих в электрических цепях переменного и постоянного тока.

ЭДС , как и напряжени е, измеряется в вольтах. Однако ЭДС и напряжение – явления разные.

Напряжение (между точками А и Б) – физическая величина, равная работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из одной точки в другую.

Объясняем суть ЭДС "на пальцах"

Чтобы разобраться в том, что есть что, можно привести пример-аналогию. Представим, что у нас есть водонапорная башня, полностью заполненная водой. Сравним эту башню с батарейкой.

Вода оказывает максимальное давление на дно башни, когда башня заполнена полностью. Соответственно, чем меньше воды в башне, тем слабее давление и напор вытекающей из крана воды. Если открыть кран, вода будет постепенно вытекать сначала под сильным напором, а потом все медленнее, пока напор не ослабнет совсем. Здесь напряжение – это то давление, которое вода оказывает на дно. За уровень нулевого напряжения примем само дно башни.

То же самое и с батарейкой. Сначала мы включаем наш источник тока (батарейку) в цепь, замыкая ее. Пусть это будут часы или фонарик. Пока уровень напряжения достаточный и батарейка не разрядилась, фонарик светит ярко, затем постепенно гаснет, пока не потухнет совсем.

Но как сделать так, чтобы напор не иссякал? Иными словами, как поддерживать в башне постоянный уровень воды, а на полюсах источника тока – постоянную разность потенциалов. По примеру башни ЭДС представляется как бы насосом, который обеспечивает приток в башню новой воды.

Природа ЭДС

Причина возникновения ЭДС в разных источниках тока разная. По природе возникновения различают следующие типы:

• Химическая ЭДС. Возникает в батарейках и аккумуляторах вследствие химических реакций.
• Термо ЭДС. Возникает, когда находящиеся при разных температурах контакты разнородных проводников соединены.
• ЭДС индукции. Возникает в генераторе при помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет наводиться в проводнике, когда проводник пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
• Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этой ЭДС способствует явление внешнего или внутреннего фотоэффекта.
• Пьезоэлектрическая ЭДС. ЭДС возникает при растяжении или сдавливании веществ.

Дорогие друзья, сегодня мы рассмотрели тему «ЭДС для чайников». Как видим, ЭДС – сила неэлектрического происхождения , которая поддерживает протекание электрического тока в цепи. Если Вы хотите узнать, как решаются задачи с ЭДС, советуем обратиться к нашим авторам – скрупулезно отобранным и проверенным специалистам, которые быстро и доходчиво разъяснят ход решения любой тематической задачи. И по традиции в конце предлагаем Вам посмотреть обучающее видео. Приятного просмотра и успехов в учебе!

9.1. Цель работы

Определение зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от разности температур спаев.

В замкнутой цепи (рис. 9.1), состоящей из разнородных проводников (или полупроводников) А и В, возникает электродвижущая сила (э.д.с.) Е T и течет ток, если контакты 1 и 2 этих проводников поддерживаются при различных температурах T 1 и T 2 . Эта э.д.с. называется термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с), а электрическая цепь из двух разнородных проводников называется термопарой. При изменении знака разности температур спаев изменяется направление тока термопары. Это
явление называется явлением Зеебека .

Известны три причины возникновения термо-ЭДС: образование направленного потока носителей зарядов в проводнике при наличии градиента температур, увлечение электронов фононами и изменение положения уровня Ферми в зависимости от температуры. Рассмотрим эти причины подробнее.

При наличии градиента температуры dT / dl вдоль проводника электроны на горячем его конце обладают большей кинетической энергией, а значит и большей скоростью хаотического движения по сравнению с электронами холодного конца. В результате возникает преимущественный поток электронов от горячего конца проводника к холодному, на холодном конце накапливается отрицательный, а на горячем остается некомпенсированный положительный заряд.

Накопление продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет равный поток электронов. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создает объемную составляющую термо-э.д.с.

Помимо этого, имеющийся градиент температуры в проводнике приводит к возникновению преимущественного движения (дрейфа) фононов (квантов колебательной энергии кристаллической решетки проводника) от горячего конца к холодному. Существование такого дрейфа приводит к тому, что электроны, рассеиваемые на фононах, сами начинают совершать направленное движение от горячего конца к холодному. Накопление электронов на холодном конце проводника и обеднение электронами горячего конца приводит к возникновению фононной составляющей термо-э.д.с. Причем при низких температурах вклад этой составляющей является основным в возникновении термо-э.д.с.

В результате обоих процессов внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Напряженность этого поля можно представить в виде

E = -dφ / dl = (-dφ / dT)· (-dt / dl)=-β·(-dT / dl)

где β = dφ / dT.

Соотношение (9.1) связывает напряженность электрического поля E с градиентом температуры dT / dl. Возникающее поле и градиент температуры имеют противоположные направления, поэтому они имеют разные знаки.

Определяемое выражением (9.1) поле является полем сторонних сил. Проинтегрировав напряженность этого поля по участку цепи АВ (рис 9.1) от спая 2 до спая 1 и предполагая, что T 2 > T 1 , получим выражение для термо-э.д.с, действующей на этом участке:

(Знак изменился при изменении пределов интегрирования.) Аналогично определим термо-э.д.с., действующую на участке В от спая 1 до спая 2.

Третья причина возникновения термо-э.д.с. заключается в зависимости от температуры положения уровня Ферми, который соответствует наивысшему энергетическому уровню, занятому электронами. Уровню Ферми соответствует энергия Ферми E F , которую могут иметь электроны на этом уровне.

Энергия Ферми - максимальная энергия, которую могут иметь электроны проводимости в металле при 0 К. Уровень Ферми будет тем выше, чем больше плотность электронного газа. Например (рис.9.2), E FA - энергия Ферми для металла A, а E FB - для металла В. Значения E PA и E PB - это наибольшая потенциальная энергия электронов в металлах А и В соответственно . При контакте двух разнородных металлов А и В наличие разности уровней Ферми (E FA > E FB) приводит к возникновению перехода электронов из металла А (с более высоким уровнем) в металл В (с низким уровнем Ферми).

При этом металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. Появление этих зарядов вызывает смещение энергетических уровней металлов, в том числе уровней Ферми. Как только уровни Ферми выравниваются, причина, вызывающая преимущественный переход электронов из металла А в металл В, исчезает, и между металлами устанавливается динамическое равновесие. Из рис. 9.2 видно, что потенциальная энергия электрона в металле А меньше, чем в В на величину E FA - E FB . Соответственно потенциал внутри металла А выше, чем внутри В, на величину)

U AB = (E FA - E FB) / l

Это выражение дает внутреннюю контактную разность потенциалов. На такую величину убывает потенциал при переходе из металла А в металл В. Если оба спая термопары (см. рис. 9.1) находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны.

В этом случае они компенсируют друг друга. Известно что уровень Ферми хоть и слабо, но зависит от температуры. Поэтому, если температура спаев 1 и 2 различна, то разность U AB (T 1) - U AB (T 2) на контактах дает свой контактный вклад в термо-э.д.с. Он может быть сравним с объемной термо-э.д.с. и равен:

E конт = U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1/l) · { + }

Последнее выражение можно представить следующим образом:

Результирующая термо-э.д.с. (ε T) слагается из э.д.с, действующих в контактах 1 и 2 и э.д.с, действующих на участках А и В.

E T = E 2A1 + E 1B2 + E конт

Подставив в (9.7) выражения, (9.3) и (9.6) и проводя преобразования, получим

где α = β - ((1/l) ·(dE F / dT))

Величина α называется коэффициентом термо-э.д.с. Так как и β и dE F / d T зависят от температуры, то коэффициент α тоже является функцией Т.

Приняв во внимание (9.9), выражение для термо-ЭДС можно представить в виде:

Величину α AB называют дифференциальной или удельной термо-ЭДС данной пары металлов. Измеряется она в В/К и существенно зависит от природы контактирующих материалов, а также интервала температур, достигая порядка 10 -5 ÷10 -4 В/К. В небольшом интервале температур (0-100°С) удельная термо-э.д.с. слабо зависит от температуры. Тогда формулу (9.11) можно с достаточной степенью точности представить в виде:

E T = α · (T 2 - T 1)

В полупроводниках, в отличие от металлов, существует сильная зависимость концентрации носителей зарядов и их подвижности от температуры. Поэтому рассмотренные выше эффекты, приводящие к образованию термо-э.д.с, выражены в полупроводниках сильнее, удельная термо-э.д.с. значительно больше и достигает значений порядка 10 -3 В/К.

9.3. Описание лабораторной установки

Для изучения зависимости термо-э.д.с. от разности температур спаев (контактов) в настоящей работе используется термопара, изготовленная из двух отрезков проволоки, один из которых является сплавом на основе хрома (хромель), а другой сплавом на основе алюминия (алюмель). Один спай вместе с термометром помещен в сосуд с водой, температура T 2 которой может изменяться путем нагрева на электроплитке. Температура другого спая T 1 поддерживается постоянной (рис.9.3). Возникающая термо-э.д.с. измеряется цифровым вольтметром.

9.4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов
9.4.1. Методика эксперимента

В работе используются прямые измерения возникающей в термопаре э.д.с. Температура спаев определяется по температуре воды в сосудах с помощью термометра (см. рис. 9.3)

9.4.2. Порядок выполнения работы

1. Включите сетевой шнур вольтметра в сеть.
2. Нажмите кнопку сеть на передней панели цифрового вольтметра. Дайте про греться прибору в течении 20 минут.
3. Отпустите винт зажима на стойке термопары, поднимите ее вверх и закрепите. Налейте в оба стакана холодную воду. Отпустите спаи термопары в стаканы приблизительно на половину глубины воды.
4. Запишите в табл. 9.1 значение начальной температуры T 1 спаев (воды) по термометру (для другого спая она остается постоянной в течение всего эксперимента).
5. Включите электроплитку.
6. Записывайте значения э.д.с. и температуры T 2 в табл. 9.1 через каждые десять градусов.
7. При закипании воды выключите электроплитку и вольтметр.

9.4.3. Обработка результатов измерений

1. По данным измерений постройте график зависимости э.д.с. термопары 8Т (ось ординат) от разности температур спаев ΔT = T 2 - T 1 (ось абсцисс).
2. Пользуясь полученным графиком линейной зависимости Е T от ∆T, определите удельную термо-э.д.с. по формуле: α = ΔE T / Δ(ΔT)

9.5. Перечень контрольных вопросов

1. В чем состоит сущность и какова природа явления Зеебека?
2. Чем обусловлено возникновение объемной составляющей термо-э.д.с?
3. Чем обусловлено возникновение фононной составляющей термо-э.д.с?
4. Чем обусловлено возникновение контактной разности потенциалов?
5. Какие устройства называются термопарами и где они применяются?
6. В чем состоит сущность и какова природа явлений Пельтье и Томсона?

1. Савельев И. В. Курс общей физики. Т.3. - М.: Наука, 1982. -304 c.
2. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977. - 288 с.
3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Электричество. Т.3. - М.: Наука, 1983. -688 c.
4. Трофимова Т. И. Курс физики. М. : Высшая школа, 1985. - 432 с.
5. Детлаф А. А., Яворский В. М. Курс физики. М. : Высшая школа, 1989. - 608 с.