溫差電動(dòng)勢的測量熱電偶是一種應(yīng)用十分廣泛的溫度傳感器，它可以測量微小的溫度變化，并廣泛的應(yīng)用于非電量的電測。例如，由熱電偶制成的熱電偶濕度計(jì)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)科學(xué)中植物水勢的測定和滲透勢的測定。因此，了解熱電偶十分必要。本實(shí)驗(yàn)介紹熱電偶的原理與溫差電動(dòng)勢的測量方法。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娢徊钣?jì)的工作原理，學(xué)會(huì)用箱式電位差計(jì)測量熱電偶的溫差電動(dòng)勢。學(xué)會(huì)用數(shù)字電壓表測量熱電偶的溫差電動(dòng)勢。了解熱電偶的測溫原理和方法。學(xué)會(huì)使用光點(diǎn)式或數(shù)字式檢流計(jì)。二、 實(shí)驗(yàn)儀器UJ31型箱式電位差計(jì)、熱電偶、光點(diǎn)式或數(shù)字式檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池、直流穩(wěn)壓電源、溫度計(jì)、電熱杯、保溫杯。三、 實(shí)驗(yàn)原理1.熱電偶兩種不同金屬組成一閉合回路時(shí)，若兩個(gè)接點(diǎn)A.B處于不同溫度t0和t，則在兩接點(diǎn)A.B間產(chǎn)生電動(dòng)勢，稱為溫差電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為溫差現(xiàn)象。這樣由兩種不同金屬構(gòu)成的組合，稱為溫差電偶，或熱電偶。熱電偶是一種常用的熱電傳感器，利用它可以測量微小的溫度變化。溫差電動(dòng)勢8的大小除和熱電偶材料的性質(zhì)有關(guān)外，另一決定的因素就是兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差（t—10）。電動(dòng)勢與溫差的關(guān)系比較復(fù)雜，當(dāng)溫差不大時(shí)，取其一級(jí)近似可表示為：8=C（t—10）式中C為熱電偶常數(shù)（或稱溫差系數(shù)），等于溫差1°c時(shí)的電動(dòng)勢，其大小決定于組成熱電偶的材料。例如，常用的銅-康銅電偶的C值為4.26X10-2mV/K，而鉑銠-鉑電偶的C值為6.43X10-3mV/K。熱電偶可制成溫度計(jì)。為此，先將t0固定（例如放在冰水混合物中），用實(shí)驗(yàn)方法確定熱電偶的8-t關(guān)系，稱為定標(biāo)。定標(biāo)后的熱電偶與電位差計(jì)配合可用于測量溫度。與水銀溫度計(jì)相比，溫差電偶溫度計(jì)具有測量溫度范圍大（一200C?2000C），靈敏度和準(zhǔn)確度高，便于實(shí)驗(yàn)遙測和A/D變換等一系列優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字電壓表測量溫差電動(dòng)勢由于數(shù)字式電壓表的精度和準(zhǔn)確度都很好，溫差電動(dòng)勢的測量也可以采用數(shù)字電壓表。測量前，需要把數(shù)字電壓表的兩個(gè)接線端連接起來，對(duì)數(shù)字電壓表進(jìn)行調(diào)零。把數(shù)字電壓表的兩個(gè)接線端接在溫差電偶的兩個(gè)信號(hào)輸出端，選擇合適的電壓量程，就可以開始測量。電位差計(jì)電位差計(jì)是準(zhǔn)確測量電勢差的儀器，其精度很高。用伏特表測量電動(dòng)勢Ex時(shí)，伏特表讀數(shù)為U=Ex—IR，其中R為伏特表內(nèi)阻。由于U<Ex，故用伏特表不能準(zhǔn)確測量電動(dòng)勢。只有當(dāng)1=0時(shí)，端電壓U才等于電動(dòng)勢Ex。如圖4-8-1,如果兩個(gè)電動(dòng)勢相等，則電路中沒有電流通過，I=0,En=Ex。如果En是標(biāo)準(zhǔn)電池，則利用這種互相抵消的方法（補(bǔ)償法）就能準(zhǔn)確地測量被測的電動(dòng)勢EX，這種方法稱為補(bǔ)償法，電位差計(jì)就是基于這種補(bǔ)償原理而設(shè)計(jì)的。圖4-8-1補(bǔ)償法原理圖 圖4-8-2電位差計(jì)原理圖在實(shí)際的電位差計(jì)中，EN必須大小可調(diào)，且電壓很穩(wěn)定。電位差計(jì)的工作原理如圖4-8-2所示，其中，外接電源E、制流電阻、和精密電阻Rab串聯(lián)成一閉合回路，稱為輔助回路。當(dāng)有一恒定的標(biāo)準(zhǔn)電流I0流過電阻Rab時(shí)，改變Rab上兩滑動(dòng)頭C、D的位置就能改變C、D間的電位差VCD的大小。由于測量時(shí)應(yīng)保證I。恒定不變，所以在實(shí)際的電位差計(jì)中都根據(jù)10的大小把電阻的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電壓值，并標(biāo)在儀器上。VCD相當(dāng)于上面的“en”，測量時(shí)把滑動(dòng)頭C、D兩端的電壓VCD引出與未知電動(dòng)勢Ex進(jìn)行比較。（1） 校準(zhǔn)。為了使Rab中流過的電流是標(biāo)準(zhǔn)電流I。，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢en的大小，選定C、D間的電阻為RN，使En=I0-Rn，調(diào)節(jié)RP改變輔助回路中的電流，當(dāng)檢流計(jì)指零時(shí)，Rab上的電壓恰與補(bǔ)償回路中標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢en相等。由于en和rn都準(zhǔn)確地已知，這時(shí)輔助回路中的電流就被精確地校準(zhǔn)到所需要的I。值。（2） 測量。把開關(guān)倒向Ex一邊，只要ExWI°Rn，總可以滑動(dòng)C、D到C'、D'使檢流計(jì)再度指零。這時(shí)，C'、D間的電壓恰和待測的電動(dòng)勢Ex相等。設(shè)C'、D'之間的電阻為Rx，可得Ex=I°?Rx。因I。已被校準(zhǔn)，Ex也就知道了。由于電位差計(jì)的實(shí)質(zhì)是通過電阻的比較把待測電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢作比較此時(shí)有E=—?EntxRnN因而只要精密電阻rab做得很均勻準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢EN準(zhǔn)確穩(wěn)定、檢流計(jì)足夠靈敏、電源很穩(wěn)定，其測量準(zhǔn)確度就很高，且測量范圍可做得很廣。但是，在電位差計(jì)的測量過程中，工作條件常易發(fā)生變化（如輔助回路電源E不穩(wěn)定，制流電阻Rp不穩(wěn)定等。），為保證工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，每次測量都必須經(jīng)過校準(zhǔn)和測量兩個(gè)基本步驟，且每次要達(dá)到補(bǔ)償都要進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)，所以操作較為繁復(fù)、費(fèi)時(shí)。四、儀器介紹1.標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)電池是一種作電動(dòng)勢標(biāo)準(zhǔn)的原電池，分為飽和式（電解液始終是飽和的）和不飽和式兩類。不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢Et隨溫度變化很小，一般不必作溫度修正，但在恒溫下Et仍有變化，不及飽和式的穩(wěn)定，而且當(dāng)電流通過不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池后，電解液增濃，長期使用后會(huì)失效。飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢較穩(wěn)定，但隨溫度變化比較顯著。本實(shí)驗(yàn)所用的為飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池，該電池在20°C時(shí)的電動(dòng)勢為E2O=1.01860V，在偏離20°C時(shí)的電動(dòng)勢可以下式估算：Es⑴=E20-[39.94(t-20)+0.929(t-20)2X10-5-0.0090(t-20)3]X10-6V電池的溫度可由其^所附的溫度計(jì)讀出.使用標(biāo)準(zhǔn)電池時(shí)需注意正負(fù)極不能接錯(cuò)，不能短路，不準(zhǔn)用萬用表測其端電壓，不可搖晃、振蕩、倒置，不準(zhǔn)超過容許電流。直流復(fù)射式光點(diǎn)檢流計(jì)(AC15型)直流復(fù)射式光點(diǎn)檢流計(jì)是一種測量微弱電流(10-8?10-11A)的磁電式檢流計(jì)，它無指針，靠光標(biāo)讀數(shù)，無固定的零點(diǎn)，一般常用來檢測有無電流或作為零位測量法的“指零”儀表。直流復(fù)射式光點(diǎn)檢流計(jì)的使用方法如下：待檢測電流由左下角標(biāo)示的“+”、“一”兩個(gè)接線端接入，一般可不考慮正負(fù)。電流的大小由投射到刻度尺上的光標(biāo)來指示。產(chǎn)生光標(biāo)的電源插口在儀器背面。由于光標(biāo)電源有AC220V和AC6.3V、DC6.3V兩種，所以要注意光標(biāo)電源的選擇開關(guān)應(yīng)和實(shí)際相符。測量時(shí)，應(yīng)先接通光標(biāo)電源，見到光標(biāo)后，將分流器開關(guān)由“短路”轉(zhuǎn)到“X0.01”檔，觀察光標(biāo)是否指“0”，如果光標(biāo)不在“0”點(diǎn)，應(yīng)使用零點(diǎn)調(diào)節(jié)器和標(biāo)盤微調(diào)器，把光標(biāo)調(diào)在“0”點(diǎn)。如果找不到光標(biāo)，可以將檢流計(jì)的分流器開關(guān)置于“直接”處，檢查儀器內(nèi)的小燈泡是否發(fā)光。儀器的偏轉(zhuǎn)線圈并聯(lián)不同的分流電阻，可以得到不同的靈敏度。使用時(shí)，應(yīng)從檢流計(jì)的最低靈敏度X0.01檔開始測量，如果偏轉(zhuǎn)不大，再逐步提高靈敏度.本實(shí)驗(yàn)中要求靈敏度達(dá)到“X1”或X0.1”。測量中當(dāng)光標(biāo)搖動(dòng)不停時(shí)，要轉(zhuǎn)向短路檔，使線圈作阻尼振動(dòng)，較快靜止下來。檢流計(jì)懸絲所能承受的最大拉力只有零點(diǎn)幾克，所以使用時(shí)注意不能振動(dòng)、傾斜。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，必須將分流器置于短路檔，以防止線圈和懸絲受到機(jī)械振動(dòng)而損壞。數(shù)字式靈敏檢流計(jì)JRLQJI-2A型數(shù)字式檢流計(jì)靈敏度較高，達(dá)0.2nA/uV。接通電源后，同樣先用面板右下方的調(diào)零旋鈕調(diào)零。使用時(shí)，若有電流通過，便會(huì)在顯示器上顯示出所通過電流的極，生'+”或“一”及電流的大小，電流大小由顯示器上的示數(shù)和面板右上方“X1”、“X10”兩指示燈共同決定。如“X100”燈亮，則電流大小為示數(shù)值X100,表示此時(shí)通過的電流較大，偏離平衡位置較遠(yuǎn)。4.UJ31型箱式電位差計(jì)UJ31型電位差計(jì)的面板如圖4-8-3所示.其面板上各旋鈕、按鈕介紹如下:圖4-8-3UJ31型電位差計(jì)的面板示意圖K1為量程開關(guān)，撥在X10檔時(shí)，測量范圍為0?171mV；在乂1檔時(shí)，測量范圍為0?17.1mV。K2為工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，可在“標(biāo)準(zhǔn)”、“測量”和“斷開”三種狀態(tài)中切換。接通檢流計(jì)的按鈕式開關(guān)，有“粗”和“細(xì)”兩個(gè)。K為標(biāo)準(zhǔn)電池的溫度補(bǔ)償旋鈕，它是一個(gè)可調(diào)電阻，示值已換算成電壓，使用時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢的大小取值。因標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢與溫度有關(guān)，故此旋鈕有溫度補(bǔ)償之稱。Rpi、Rp2、RP3是為進(jìn)行電流標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)節(jié)電阻，它是把圖4-8-2中的制流電阻Rp分成“粗”、“中”、“細(xì)”三個(gè)可調(diào)電阻，便于迅速達(dá)到補(bǔ)償。i、ii、m是測量旋鈕及轉(zhuǎn)盤，它是把圖4-8-2中的rab也分成三檔。在轉(zhuǎn)盤m上還有游標(biāo)，以提高讀數(shù)的精確度。電位差計(jì)的使用方法如下：檢流計(jì)調(diào)零。先接好整個(gè)實(shí)驗(yàn)線路。注意標(biāo)準(zhǔn)電池的正負(fù)極、電源的正負(fù)極不要接錯(cuò)，未知1或2的正端接熱電偶的熱端，不能接錯(cuò)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)％置于“斷”的位置，并將“粗”、“細(xì)”、“短路”按鈕松開。將檢流計(jì)接上電源，調(diào)節(jié)“零點(diǎn)調(diào)節(jié)”旋鈕，使檢流計(jì)指零。調(diào)節(jié)電位差計(jì)工作電流。①使、置于“標(biāo)準(zhǔn)”位置；②粗調(diào)。按下“粗”鈕，依次調(diào)節(jié)Rpi>Rp2，直到檢流計(jì)粗略指零；③細(xì)調(diào)。松開“粗”鈕，按下“細(xì)”鈕，調(diào)節(jié)Rp2、R：：，使檢流計(jì)準(zhǔn)確指零，校準(zhǔn)完成。校準(zhǔn)后，在測量時(shí)Rp1、Rp2、RP3不要再動(dòng)。測量。①在本實(shí)驗(yàn)中，測量范圍在0?17.1mV之間，故將量程選擇開關(guān)K1轉(zhuǎn)至“X1”檔；②將狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)“K2”撥向未知1(或未知2)位置；③粗調(diào)。按下“粗”鈕，依次調(diào)節(jié)讀數(shù)盤1、11，使檢流計(jì)粗略指零；④細(xì)調(diào)。松開“粗”鈕，按下“細(xì)”鈕，調(diào)節(jié)讀數(shù)盤II、III，使檢流計(jì)準(zhǔn)確指零，即可讀數(shù).待測電動(dòng)勢之值為：8x=(I盤讀數(shù)X1+II盤讀數(shù)X0.1+m盤讀數(shù)X0.001)X(K1所示量程)mv五、實(shí)驗(yàn)步驟參照圖4-8-3，連接好線路。把檢流計(jì)調(diào)零(詳見檢流計(jì)使用方法)。3.調(diào)節(jié)電位差計(jì)工作電流標(biāo)準(zhǔn)化(詳見電位差計(jì)使用方法)。測量降溫過程不同溫度點(diǎn)的溫差電動(dòng)勢。接通電源，將熱端的水加熱到100°C，當(dāng)溫度下降到95C時(shí)，開始測量熱電偶的溫差電動(dòng)勢，每隔4C測量一個(gè)電動(dòng)勢，測出8個(gè)數(shù)據(jù)，重復(fù)測量兩次。使熱端處于任意一個(gè)溫度，測出當(dāng)前的溫度九真及此溫度下相應(yīng)的電動(dòng)勢8x。六、數(shù)據(jù)記錄及處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄標(biāo)準(zhǔn)電池溫度t= (C)，標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢Es(t)= (V)熱電偶冷端溫度t0= (°c)表4-8-1測量數(shù)據(jù)表熱端溫度t/c(1)電動(dòng)勢8t/mV(2)電動(dòng)勢8t/mV電動(dòng)勢平均值用兩種方法求出溫差系數(shù)C以熱電偶兩端點(diǎn)的溫差△/為橫坐標(biāo)，熱電動(dòng)勢8為縱坐標(biāo)，在直角坐標(biāo)紙上作8-△t曲線，并用作圖法定出溫差系數(shù)C。其方法是在直線上兩端的數(shù)據(jù)區(qū)取二點(diǎn)(△/］，8J、(△t2,82)(此二點(diǎn)一般不是數(shù)據(jù)點(diǎn))，代入下式求出CC=(8—8)/*△)vz、2 1^ 、l——，2——1/利用所測數(shù)據(jù)，用最小二乘法求出C值由8-At圖，根據(jù)8x求出熱水溫度tx，以溫度計(jì)所測值tx真為其真值，計(jì)算誤差。七、 注意事項(xiàng)各接線端的正負(fù)極不能接錯(cuò).使用UJ31電位差計(jì)時(shí)，m刻度盤的0?100之間有一小段沒有刻度線，這是斷開的位置。調(diào)整到這一位置時(shí)，檢流計(jì)指零，切不可認(rèn)為達(dá)到了“平衡”。如時(shí)間允許，最好每次測量前，都重新校準(zhǔn)工作電流I0o注意溫度計(jì)和電偶熱端必須與熱水接觸，且不能碰到杯壁或杯底。八、 思考題電位差計(jì)是利用什么原理進(jìn)行測量的？使用電位差計(jì)測量位置電壓前要進(jìn)行那些操作？實(shí)驗(yàn)4-9材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定在日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常需要了解一些材料的導(dǎo)熱性能。例如，日常生活中的各種保溫材料，科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的隔熱節(jié)能材料等等。因此，了解材料的導(dǎo)熱性能具有重要的意義。物料的導(dǎo)熱性可以通過實(shí)驗(yàn)測量獲得，本實(shí)驗(yàn)介紹一種測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私庥梅€(wěn)態(tài)法測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理。掌握一種測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法。二、 實(shí)驗(yàn)儀器FD-TC-I型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀、數(shù)字式伏特表、橡皮樣品、硬鋁樣品。三、實(shí)驗(yàn)原理測定導(dǎo)熱系數(shù)的原理是法國數(shù)學(xué)和物理學(xué)家約瑟夫?傅立葉給出的導(dǎo)熱方程式。該方程指出，在物體內(nèi)部垂直于導(dǎo)熱方向上，兩個(gè)相距為力，面積為A,溫度分別為T1、T2的平行平面，在△，秒內(nèi)從一個(gè)面?zhèn)鞯搅硪粋€(gè)面的熱量△◎滿足下述表達(dá)式：△Q AT-T =人A—1 2-△t h(4-9-1)式中入為該物體的導(dǎo)熱系數(shù)，亦稱導(dǎo)熱率。由該式可知，導(dǎo)熱系數(shù)是表示物質(zhì)傳導(dǎo)性能的物理量，其數(shù)值等于兩相距單位長度的平行平面上，當(dāng)溫度相差一個(gè)單位時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)的SI單位為W/(m?K)。由式(4-9-1)可知，只要測量出兩個(gè)面的溫度差穩(wěn)定時(shí)的△Q/△t、T「T2、物料的厚度h和面積A，就可算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。由于材料的結(jié)構(gòu)變化與雜質(zhì)的多少對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)都有明顯影響，同時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)一般隨環(huán)境溫度而變化，所以，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)材料成份和環(huán)境溫度都要記錄。 圖4-9-1導(dǎo)熱系數(shù)測定儀示意圖四、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置為FD-TC-I型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，如圖4-9-1所示。在支架D上先后放上圓銅盤尸、待測樣品B和厚底紫銅圓筒A。在A的上方用紅外燈L加熱，它們使樣品上、下表面各維持穩(wěn)定的溫度T1和T2，它們的溫度數(shù)值分別用安插在A、P側(cè)面深孔中的熱電偶E來測量。E的冷端浸入盛于杜瓦瓶H中的冰水混合物中。G為雙刀雙向開關(guān)，用以變換上、下熱電偶的測量回路。數(shù)字式電壓表F用以測量溫差電動(dòng)勢。由式(4-9-1)可知，單位時(shí)間內(nèi)通過待測樣品B任一圓截面的熱流量為絲fR2口△t BhB(4-9-2)式中rb為圓盤樣品的半徑，hB為樣品厚度。當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，T1和T2的值不變，于是通過B盤上表面的熱流量與由銅盤P向周圍環(huán)境散熱的速率相等。因此，可通過圓銅盤P在穩(wěn)定T2時(shí)的散熱速率來求出熱流量。實(shí)驗(yàn)中，在讀得穩(wěn)定時(shí)的溫度T1和T2后即可將樣品移去，而使筒A的底面與銅盤P直接接觸。當(dāng)盤P的溫度上升到高于穩(wěn)定時(shí)的T2值若干度后，再將圓筒A移開，讓銅盤P自然冷卻，觀察其溫度T隨時(shí)間t的變化情況，然后由此求出銅盤在T2的冷卻速率△Q、 AT AT,-^1 =m"I ，而m"I(m為銅盤P的質(zhì)量，c為其比熱容)就是黃銅盤Att=t2 Att=t2 Att=t2P在溫度T2時(shí)的散熱速率。但須注意，這樣求出的是黃銅盤P的全部表面暴露于空氣中的AT.冷卻速率mc=I ，其散熱表面積為2兀R2+2兀Rh（其中r和h分別為黃銅盤P的AtT=T2 PPP PP半徑和厚度）。然而，在觀察樣品穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，p盤的上表面（面積為兀R2）是被樣品覆蓋的，考慮到物體的冷卻速率與它的表面積成正比，則穩(wěn)態(tài)時(shí)圓盤p散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為AQ AT（兀R2+2兀Rh）~At— ~A（2兀R2+2兀Rh）（4-9-3）將式（4-9-3）代入式（4-9-1），得?= AT（R2+2Rhp） h,~mCA?（2R2+2Rh）（T-T）nR2p pp1 2B（4-9-4）四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)穩(wěn)態(tài)法，必須得