2014910174811993_2014年秋学期大学物理实验讲义++温差电偶的定标和测温
大学物理实验讲义教学内容
大学物理实验讲义实验1 冷却法测量金属的比热容根据牛顿冷却定律用冷却法测定金属或液体的比热容是量热学中常用的方法之一。
若已知标准样品在不同温度的比热容，通过作冷却曲线可测得各种金属在不同温度时的比热容。
本实验以铜样品为标准样品，而测定铁、铝样品在100℃时的比热容。
通过实验了解金属的冷却速率和它与环境之间温差的关系，以及进行测量的实验条件。
热电偶数字显示测温技术是当前生产实际中常用的测试方法，它比一般的温度计测温方法有着测量范围广，计值精度高，可以自动补偿热电偶的非线性因素等优点；其次，它的电量数字化还可以对工业生产自动化中的温度量直接起着监控作用。
【实验目的】1、用冷却法测定金属的比热容；2、学习用热电偶测量温度的原理及方法。
【实验仪器】冷却法金属比热容测量仪，铜—康铜热电偶，停表，冰块等。
【实验原理】单位质量的物质，其温度升高1K(或1℃)所需的热量称为该物质的比热容，其值随温度而变化。
将质量为M 1的金属样品加热后，放到较低温度的介质（例如室温的空气）中，样品将会逐渐冷却。
其单位时间的热量损失（/Q t ∆∆）与温度下降的速率成正比，于是得到下述关系式：111Qc M t tθ∆∆=∆∆ (2.1-1)(2.1-1)式中1c 为该金属样品在温度1θ时的比热容，1/t θ∆∆ 为金属样品在1θ的温度下降速率，根据冷却定律有：m S tQ)(0111θθα-=∆∆ (2.1-2) (2.1-2)式中1α为热交换系数，S 1为该样品外表面的面积，m 为常数，1θ为金属样品的温度，0θ为周围介质的温度。
由式(2.1-1)和(2.1-2)，可得m S tM c )(0111111θθαθ-=∆∆ (2.1-3) 同理，对质量为M 2，比热容为2c 的另一种金属样品，可有同样的表达式：m S tM c )(0122122θθαθ-=∆∆ (2.1-4) 由式(2.1-3)和(2.1-4)，可得：22222201111011()()mmc M S t S c M tθαθθθαθθ∆-∆=∆-∆所以11222021211102()()m m M S t c c S M tθαθθθαθθ∆-∆=∆-∆假设两样品的形状尺寸都相同(例如细小的圆柱体)，即S 1=S 2；两样品的表面状况也相同(如涂层、色泽等)，而周围介质(空气)的性质当然也不变，则有21αα=。
大学物理实验讲义
实验课程的建设是一项集体事业，需要从事实验工作的全体人员长期不懈的 努力，日积月累、不断改革。多年来，所有在物理实验教学中工作过的人员对本 课程的建设都作出了贡献，因此本讲义可以说是这个集体智慧的结晶。
A.2 常用物理数据表.................................................................... 46
绪论
物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本、最普遍的运动形式 及其规律的学科。物理学按研究方法可分为理论物理和实验物理两大分支。理论 物理是从一系列基本原理出发，经过数学的推演得出结果，并将结果与观测和实 验相比较，从而达到理解现象、预测未知的目的。实验物理是以观测和实验为手 段来发现新的物理规律，验证理论结论，同时也为理论物理提供新的研究课题。 因此，物理实验是研究自然规律的最基本的手段，是物理理论的源泉。
2.4 用分光计测量光栅常数及角色散率 ............................................ 29
2.5 用双棱镜干涉测光波波长 ........................................................ 30
2.6 示波器的原理和使用 .............................................................. 31
iv
[知识]实验六温差电偶的定标和测量
![[知识]实验六温差电偶的定标和测量](https://img.taocdn.com/s3/m/1eea686403768e9951e79b89680203d8ce2f6aaf.png)
实验六 温差电偶的定标和测量实验目的1．加深对温差电现象的理解。
2．了解校准热电偶温度计的基本方法。
实验仪器铜－康铜热电偶，校准用的纯金属（铅、锌、锡）或标准热电偶，待测熔点的金属，杜瓦瓶，电位差计或数字电压表，电炉等。
实验原理1．热电偶的测温原理把两种不同的导体或半导体连接成一闭合回路，如图6－1所示。
如两接点分别处于不同的温度T 和T 0，则回路中就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。
同时把这个电路叫做A 、B 组成的热电偶，如铂－铂铑热电偶、铜－铁热电偶等。
在图6－1所示的热电偶回路中，产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。
温差电势是在同一导体的两端因温度的不同而产生的一种热电势，由于材料中高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的电子数多，结果使高温端失去电子而带正电荷，低温端得到电子而带负电荷，产生一附加的静电场。
此静电场阻碍电子从高温端向低温端的扩散，在达到动态平衡时，导体的高温和低温端间有一个电位差V T －V T 0，此即温差电势。
在热电偶回路中，导体A 和B 分别有自己的温差电势e A （T ，T 0）和e B （T ，T 0）。
接触电势的产生原因是两种导体材料的电子密度和逸出功不同。
这样，当两种导体接触时，电子在其间扩散的速率就不同，使一种导体因失去电子而带正电荷，另一种导体因得到电子而带负电荷，在其接触面上形成一个静电场，即产生了电位差，这就是接触电势，其数值取决于两种不同导体材料的性质和接点的温度。
在热电偶回路中两个接点分别有不同的接触电势e AB （T ）,e AB （T 0）。
由于温差电势和接触电势的影响，在热电偶回路中产生的总热电势可表达为 ),()(),()(),(0000T T e T e T T e T e T T E A AB B AB AB --+= （6－1）它是材料和温度的函数，对确定的热电偶材料，热电势E AB (T ,T 0)是温度T 和T 0的函数差)()(),(00T f T f T T E AB -=（6－2）如果使某接点温度固定（常取水的三相点温度作为T 0），则总电势成为温度T 的单值函数)(),(0T T T E AB ϕ= （4－10－3）这一关系式可通过实验获得。
第三讲温差电材料及其制备工艺
热电性能
在生长方向，p型n型Bi2Te3基赝二元合金的性质十 分接近。
其室温热电性能如下： α=±210μV/K 微伏/度 ρ=1.0×10－5 Ω·m （σ=1000 S/cm） 西门子/厘米 κ=1.4W/(m·K) 瓦/（米.度） ZT=0.9
N型Bi2Te3基赝二元体系合金
93%Bi2Te3—7%Bi2Se3+y wt.%TeI4
温差电材料的选择
熔点 蒸气压 扩散性质 热膨胀系数 抗氧化能力 机械性能
先进温差电材料努力方向
增加ZT值，大于2，或更高（目前多少？）
有优良的热、化学、机械稳定性 合成或制备工艺有重复性 工作条件下长期稳定性（5至10年） 与其他系统材料相容性好 原材料成本低、制备成本低 绿色、环保
-Te(1)-Bi-Te(2)-Bi-Te(1)的原子排布方式。其中，Bi-Te(1)之间以共价键和 离子键相结合， Bi-Te(2) 之间为共价键，而相邻 两个循环之间的Te(1)、Te(1)原子之间结合能较弱， 以范德华键相结合。因此，BiTe晶体很容易沿垂直 于晶体c轴的面发生解理。（机械性能！！！）
价格/$/kg 140 99 4 24 18 660 270 11 55 1000(无Ba) 17 92 160
备注 低温材料。成熟，已应用 中温材料，成熟，已应用，
高温材料。成熟，昂贵，已空间应用 高温材料
高温材料, 可能用于空间 高温材料
温差电材料努力方向
方向
提高Z值
改善热稳定性
降低成本 环境友好
碲化铋及其合金
碲化铋-Bi2Te3
温差电致冷器和低温温差发电器，应用最广的材 料是Ⅴ-Ⅵ族化合物半导体碲化铋及其固溶体。
熔点：585℃ 密度：7.86g/cm3 晶体结构属三角晶系（菱形晶系）
温差电现象及其应用
2. 温差电致冷
• 温差电致冷是利用珀 耳帖效应用电能来传 递热量。由于温差电 致冷所用的材料一般 为半导体材料，因而 温差电致冷常被称做 半导体致冷或电子致 冷。温差电致冷产品 的核心为温差电致冷 组件。致冷组件的外 表面一般为绝缘且导 热良好的氧化铝陶瓷。
• 半导体温差电制冷器是由N 型半导体和P 型半导 体构成的温差电偶，用铜片把两个半导体连接起 来。电流I 由N 型半导体流向P 型半导体时，该接 头吸收珀耳帖热；在另一接头，电流由P 型半导 体流向N 型半导体，有热量释放出来。通过各种 散热方式把热端的热量带走，冷端就能保持较低 温度。在热平衡条件下，冷端所能达到的温度取 决于半导体材料的温差电特性和冷端的热负载以 及器件的设计（工作状态、散热条件等）。
• 半导体温差电制冷器 的制冷效率不随制冷 容量变化。当制冷容 量超过几十升时，其 效率比不上压缩式制 冷机的效率；但对小 容量制冷，它是相当 优越的，适用于做各 种小型恒温器以及要 求无声、无干扰、无 污染等特殊场合。
半导体珀耳帖效应示意图
• 温差电致冷器有很多优点。 它是一种没有 转动部件的固态器件，体积小、寿命长， 工作时无噪声，又不会释放有害物质（如 氟氯烃）；只要改变电流的方向，同一个 致冷器可用于致冷,也可以致热；它能在任 意角度安装运行，调节电压或电流就可以 精确控制温度。由于它具有这一系列优点， 在工业、农业、科学研究和国防等各领域 都得到了广泛的应用。
• 相比于太阳能电池, 放射性同位素温差发电系统不 仅具有寿命长和性能可靠的优点, 而且拥有诱人的 比体积和比重量. 尤利西斯号飞船如按照太阳能电 池进行结构设计, 其携带电池板的重量将达 550 kg, 是飞船自身重量的两倍, 对运载火箭来说难以 负荷. 而采用温差发电系统时, 发电机的重量只有 56 kg, 完全可以满足飞船在航行、通讯和科学仪 器使用方面的所有用电要求1). 图2为放射性同位 素温差发电系统的外形图, 图3为其剖面图.
温差电偶的定标与测温
3、指导学生完成实验报告，在坐标纸上作E～t曲线，用两点法求斜率的公式由图中求出 ，写出E=f(t)表达式。（共40分钟左右）
4、解答书后思考题。指导并检查测量和计算结果的准确性。（共30分钟左右）
吉林建筑工程学院教师备课教案
专业：基础科学部
课程名称：大学物理实验
周学时：—2008.6.25
授课班级：07级：安全、计算机等
任课教师：艾淑平
实验题目
温差电偶的定标与测温
实验类型
验证
实验目的
了解热电偶测温原理
学习标定热电偶的方法
进一步熟悉电位差计的使用方法
实验仪器
（1）连接仪器。将T型铝支架固定在底座上；将热电偶的冷端 慢慢置于约保温装置三分之二深的铜管中，热端 慢慢放入到有三分之二自来水的加热器装置中，盖好胶木圆盖，插入温度计；再将热电偶底座上的红黑接线柱分别与其红黑接线叉引线相连，把电压表或者电位差计接在热电偶的红黑接线柱上，热电偶装置即安装好。
玻璃温度计上显示的为室温，测出室温与0℃温差的电位差值。
二、温差电偶的定标
用实验测定温差电动势与测温端温度的关系曲线，称为温差电偶的定标。
利用已知的几个固定点温度作为已知温度，测出温差电偶在这些已知温度下的电动势，用这些数据，求出ａ、ｂ……等常数。
三、连接仪器
将T型铝支架固定在底座上；将热电偶的冷端 慢慢置于约保温装置三分之二深的铜管中，热端t慢慢放入到有三分之二自来水的加热器装置中，盖好胶木圆盖，插入温度计；再将热电偶底座上的红黑接线柱分别与其红黑接线叉引线相连，把电压表或者电位差计接在热电偶的红黑接线柱上，热电偶装置即安装好。
温差发电实验方案
实验方案一.【实验题目】：温差发电片的发电效率的研究二.【实验原理】：温差发电片是一种基于塞贝克效应，直接将热能转化为电能的热电转换器件1982年，德国物理学家塞贝克发现了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属结点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。
温差发电原理图它由P、N两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成。
在器件的两端建立一个温差，使器件高温端保持T h，低温端保持T c,根据塞贝克效应，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻则将有电流流过。
三.【实验目的】：1. 研究发电片在什么条件下的输出功率最大2. 测定温差发电片正常工作的温度3 .测定温差发电片在不同温度下能够产生的电压大小和电流大小4. 测定太阳光经过菲尼尔透镜能够产生的温度高低5. 测定PTC恒温发热片工作时产生的温度的高低6. 研究温差发电片形成温差的方法四•【实验方案】：（一）方案一：利用菲尼尔透镜聚集太阳光进行温差发电六.【实验步骤】：1. 发电片的安装发电片在安装时，首先都要用无水酒精棉，将发电片的两端面擦洗干净，储冷 板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不大于 0.03mm ，并清洗干净，然后采用粘合的方法来安装发电片。
粘合的安装方法是用一种具有导热性能较好的粘 合剂，均匀的涂在发电片、导热板、散热板的安装面上。
粘合剂的厚度在0.03mm 将发电片的冷热面和导热板、散热板的安装面平行的挤压，并且轻轻的来回旋转 确保各接触面的良好接触，通风放置多个小时自然固化。
散热片和发电片相接触 的表面必须精细加工，装配时在接触面上必须均匀的涂抹适量的导热硅脂， 以尽 量减少热阻。
2. 发电片输出功率特性研究 塞贝克效应电势差大小可用表示为厂 =$再（旷）_、、rr式中，S 与Sc 分别为两种材料的塞贝克系数。
如果S 与Sc 不随温度的变化而变化，式（1）即可表示为:为方便输出功率的计算，可以对实验对象做以下假设：① 稳态，输出电流为稳恒电流； ② 半导体温差发电片侧面绝热；③ 冷热端之间的空气对流和辐射影响可以忽略；④ 半导体温差发电片内部导热系数不变。
温差电现象 -回复
温差电现象-回复温差电现象（Seebeck Effect），又称为热电效应，是指当两个不同金属（或由不同金属组成的回路）的两个接触点处于不同的温度时，会产生电势差并引起电流产生的现象。
这个现象是由发现者德国物理学家托马斯·约翰·约贝克于1821年首次发现并命名的。
温差电现象是热电效应中最基本的一种。
温差电现象的原理主要基于热力学第二定律——热不会自发从冷热物体传递，而是会自发从高温物体传递到低温物体。
当两个金属或合金的接触点处于不同温度时，会形成一个温差，因为不同金属或合金的导电能力不同，就会在温差作用下产生电势差，导致电荷移动，从而形成电流。
这个现象的物理机制就是所谓的温差电现象。
温差电现象的基本方程为：EMF = αΔT其中，EMF代表产生的电动势，α为该金属的负温度系数，ΔT为温度差。
从这个方程可以看出，温差电现象的电动势与金属的负温度系数和温度差成正比。
温差电现象在现代社会有着广泛的应用。
它最早被应用于温度测量方面，即热电偶温度计，原理是利用温差电现象的产生的电势差来测量物体的温度。
温差电现象也被用于热电发电方面，即热电堆，根据温度差产生的电势差产生电流，实现从热能到电能的转化。
此外，温差电现象还可以应用于温差电流传感器、温度控制系统等领域。
温差电现象的应用能够提供高精度、快速的温度测量和控制，并且不受外界电磁干扰的影响，具有较高的稳定性和可靠性。
然而，温差电现象也存在一定的缺陷和限制。
首先，温差电现象只能产生微小的电动势，要达到实际应用要求的电流和电压，需要在电路中添加大量的热电偶或热电堆，增加了成本和复杂度。
其次，金属之间的温度差不能过大，否则金属会熔化或发生受到热应力而破裂的可能。
因此，在实际应用中需要注意避免过高的温度梯度。
总的来说，温差电现象作为一种重要的物理现象，在热电场和热电材料的研究中具有重要地位。
它的发现和应用不仅推动了科学的发展，也为人类社会的热能利用提供了新的途径。
温差热电偶实验报告
温差热电偶实验报告温差热电偶实验报告摘要：本文的目的是研究使用温差热电偶测量热量传递时所产生的功率。
通过温差热电偶实验，发现比值电流约为0.00194A，导致的热功率为0.347W。
同时，本次实验表明，由于固定的功率发生器温度和介质的温度波动，随着介质温度上升1度，热功率增加了0.347W。
本实验选用了由铁芯和包裹绝缘层组成的热电偶来测量温度，实验结果表明，能够准确地获得反应室温度的测量值，验证了本实验的合理性和准确性。
1 引言在机械系统中，传热技术被广泛应用于各个领域。
温差热电偶是一种用于测量传热中产生热功率的常用仪器。
它主要由两种不同类型的金属（或绝缘）条构成，其中一直暴露在介质温度中，另一端暴露在（比低温）参考温度中。
在实际测量中，可以通过温差热电偶来测量温度变化和传热量，以确定热功率的大小。
本实验的主要目的是测量使用温差热电偶实验的功率放大器的温度变化，从而测量传热过程中的热功率。
2 实验原理温差热电偶有三种基本设备：1）热电偶，在这种热电偶中，热电偶的表面上有两种类型的金属，一种称为热电极（暴露在介质温度中），另一种称为参考电极（暴露在参考温度中）。
2）功率增强器用于测量由热电偶传递的原始温差电压，并将其转换为可测量的大电流。
3）温差传感器用于记录参考和传热温度，以便计算温差。
在实际显示信号时，热电偶产生的电流被功率发生器放大，因此最终可以通过功率发生器控制温度变化来计算热功率。
3 实验方法在本实验中，利用温差热电偶计算热功率。
首先，根据温度曲线对热电偶进行调整，由参考温度值和热温度值确定温差。
接着，利用功率发生器来测量温差。
大学物理实验讲义(2)
金属钨的逸出功测量……………………………………………………………27
空气、液体及固体介质的声速测量…………………………………………33
霍尔效应
置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生一附加的横向电场，这个现象是美国霍普金斯大学物理系二年级24岁的研究生霍尔（E.H.Hall）于1879年研究载流体导体在磁场中受力性质时发现的，后被称为霍尔效应。利用霍尔效应能制成面积很小的霍尔元件，可以测量某点的磁场或缝隙中的磁场。通过霍尔效应测量的霍尔系数，可确定半导体的导电类型、载流子浓度及迁移率等重要参数。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已经广泛应用于非电量电测等检测技术、自动控制和信息处理领域等方面。从1879年至今，霍尔效应的研究在不断深入和发展。1936年苏联实验物理学家基科因（И．К．Кикоин）院士发现了铁磁体中的反常霍尔效应，后来在反常霍尔效应的基础上，发现了传导电子与自旋系统激发的相互作用。1980年德国的冯·克利青（K．V．Klitzing）教授宣布了在极强磁场和极低温度下发现的量子霍尔效应，能大大提高有关基本常量的准确度。等离子体霍尔效应为磁流体发电提供了依据。霍尔效应研究不断深入发展的意义是深远和难以估量的。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔元件，将有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。
（2）温差电效应引起的附加电压 （厄廷好森Etinghausen效应）
如图3所示，由于构成电流的载流子速度不同，若速度为υ的载流子所受的洛伦兹力与霍尔电场的作用力刚好抵消，则速度大于或小于υ的载流子在电场和磁场作用下，将各自朝对立面偏转，从而在y方向上引起温差 ，温度梯度为 ，式中P是厄廷好森系数。由此产生的温差电效应在A、A＇电极上引入附加的温差电压 ，且 ∝ ，其符号与 和B的方向的关系跟 是相同的，因此不能用改变 和B方向的方法予以消除，但其引入的误差很小，可以忽略。
第五讲温差电材料和组件性能的测试方法
+
-
热电偶 Tc
ΔTmax=Th-Tc
热面温度控制 冷面热负荷 热面接触热阻 热电偶相对误差
快速测试方法-计算机辅助测试
现在广泛使用的快速测试方法采用计算机测量温差电 致冷组件的性能，其原理基于哈曼法（Harman）。与传统 的哈曼法不同，新的测试方法是一种瞬态的测量方法，利 用计算机分析和处理数据，改善了传统方法的测试精度和 重复性。这种方法既可以测量一个温差电元件、一对温差 电单体的温差电性能，也可以测量温差电组件或模块的温 差电性能，包括温差电材料的塞贝克系数、电导率、热导 率和优值，单偶或组件的电阻、最大温差、最大致冷功率 等参数。
温差电技术讲座
第五讲：温差电材料 和组件的性能测试方法
张建中
2010.08
目次
温差电材料热电性能测试方法 温差电制冷组件性能测试方法 温差发电组件性能测试方法
温差电材料热电性能测试方法
塞贝克系数测试方法 电导率测试方法 热导率测试方法
Z 2 2
电导率和塞贝克系数测试方法
温差发电组件型号命名
□ □-□-□-□-□ 最高长期工作温度，℃ 温差电元件的高度，mm 温差电元件截面积的边长，mm 温差电元件的对数 温差发电组件的级数，1，2，3 温差发电组件代号，TEG
举例：TEG1-241-1.4-1.6-250
谢谢批评指正！
短路电流法与匹配负载法比较
1. 短路电流法无法避免将引线电阻和开关等接触头 电阻计算在内，因此测量得到的动态内阻会大一 些。
2. 伏安特性法测量获得的温差发电组件的输出特性 参数比短路电流法测量结果精度要高。内阻越小 的组件，前者测试结果更加可信。
热电转换效率
温差发电组件热电转换效率是有用功率与热源所消耗 的热量之比。
2014910174811993_2014年秋学期大学物理实验讲义++温差电偶的定标和测温
温差电偶的定标和测温(讲义)由两种不同金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电动势，这就是热电效应。
这一效应于1821年被德国物理学家塞贝克Thomas Johann Seebeck（1780～1831）发现，因此又称“塞贝克效应（Seebeck effect）”。
1830年，人们就为它找到了应用场所。
利用热电效应，可制成温差电偶（thermocouple，即热电偶）来测量温度。
只要选用适当的金属作热电偶材料，它就可轻易测量到从－180℃到＋2000℃的温度，如此宽泛的测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。
现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达＋2800℃的温度。
此外，利用这一效应制作的温差电偶温度计还有很多优点，结构简单、制作方便，灵敏度准确度高（可达10-3℃以下），热容量小，响应快，可用于微区测温，广泛用于实时测温和监控系统。
本实验的热电偶由铜和康铜构成。
【实验目的】（１）理解温差电偶测温原理和定标方法。
（２）学会用温差电偶测量未知温度。
【实验仪器】数字电压表、保温瓶和铜—康铜温差电偶、HW-1恒温控制加热仪。
【实验原理】温差电偶概念若将A、B两根不同的金属或合金丝的端点互相连接(接点焊接或熔接)成为一闭合回路，并使两接点处于不同温度，如图1所示，则由于温差电效应，回路中将产生电动势，称为温差电动势。
这种闭合回路称为温差电偶或热电偶。
使用温差电偶测温时，常把一个接点置于某一恒定温度，称为参考点；另一接点作为测温点。
图1 温差电偶对于温差电动势，其产生的机理有两种，一种称为帕尔贴（J.C.A.Peltier ，1785-1845）电动势，另一种称为汤姆逊(William Thomson, 1st Baron Kelvin ，1824-1907)电动势。
前者是由于不同金属(与塞贝克效应不同，帕尔贴效应不仅可以产生在两种不同金属的交界面，或者一种多相材料的不同相界间，也可以产生在非匀质导体的不同浓度梯度范围内)接触引起，由接触面两侧金属内不同浓度自由电子的扩散形成，当扩散平衡时，在两种金属间形成稳定电位差；后者是由于同一种金属两端所处温度不同导致，高温端的自由电子好像气体一样向低温端扩散，并在低温端堆积起来，从而在导线内形成电场，由电子热扩散不平衡建立的电场反过来又阻碍不平衡热扩散的进行，最终达到动态平衡，使金属两端形成一稳定的电势差。
《大学物理》实验讲义(普通物理)
物理实验可是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课，是本科生接收系统实验方法和实验技能训练的开端。物理实验的知识、方法和技能是学生进行后继实践训练的基础，也是毕业后从事各项科学实践和工程实践的基础。物理实验课覆盖广，具有丰富的实验思想、方法和手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素养的重要基础课程。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。
物理学本质上是一门实验科学。物理实验体现了多数科学实验的共性，在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科科学实验的基础。
物理实验课是高等院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，它的教学内容、教学方法和教学模式具有鲜明的时代性和社会性。
近十多年来，各高校以培养适应社会发展需要的高素质人才为核心，在物理实验课的课程体系、教学内容、教学方法等方面进行了卓有成效的教学研究和教学改革，一批教育理念、教学思想先进，教学内容、教学方法新颖，反映科研新成果的优秀教材脱颖而出。本实验讲义是在我院多年大学物理实验教学的基础上，结合各学科特点综合精选编写而成的。
姓名：学号：同组人姓名：
目的要求：
原理：用自己的语言，简明扼要地写出实验原理（实验的理论依据）和测量方法要点，说明实验中必须满足的条件，写出数据处理时必须要用的一些主要公式，表明公式中的物理量的意义（不要推导公式），画出必要的实验原理示意图、测量电路图或光路图，简明扼要地写出实验步骤。
仪器：写出主要仪器的名称、规格及编号。
大学物理实验讲义
“温差电效应”制冰实验报告
“温差电效应”制冰实验目的本实验测量不同材料的金属温差电动势，并根据温差电动势排列出温差电序；研究串联后的温差总电动势和各分电动势的关系；用两种不同金属组成一个温差电偶进行定标与测温；利用佩尔捷效应制冰，以及利用泽贝克效应发电。
实验装置保护两种金属连接的固定板（温差电偶，如图1所示）、保温杯、“温差电效应”制冰实验装置、“温差电效应”发电实验装置、数码显示测温仪、手持式红外测温仪、数字毫伏表、稳压电源等。
实验内容1：测量不同材料的金属温差电动势，并排列出温差电序 实验步骤1. 调零：用导线短路毫伏表。
调节“调零”旋钮，使毫伏表置零。
2. 如图2所示，保温杯内注入热水，测出热水的水温。
盖上盖子，将温差电偶板（如铜与锡）放入保温杯内。
金属A 与金属B 另一端处于常温下，并与毫伏表相连接，记录此时毫伏表读数。
3. 几个不相同的温差电偶板分别放入保温杯内，重复上述操作，对应测出电动势大小。
根据测得的大小、正负排出金属温差序列。
实验现象70.2℃下测得不同温差电偶板的电动势大小如下表所示：其中金属A 接毫伏表正极，金属B 接毫伏表负极。
图1图2：温差电动势的测量实验分析1．产生电动势的原因：当A与B两种不同材料导体（或导电类型不同的半导体）连接组成闭合回路时，如果两个接触处的温度（T1、T2）不同，则回路中就有电流产生，在回路中存在电动势。
如图3所示。
这种电流称为温差电流（也称热电流）；这种电动势称为温差电动势（也称热电动势），这种现象称为“泽贝克效应”。
图3其原理是：当两种原子核外电子数目不同的金属有了分子渗透之后，在结合面，当核外电子受到温度扰动之后，一种金属的核外电子迁移到另一种金属方面去，导致失掉电子的金属呈现正极性电位，得到电子的金属呈现负电位，由此产生电位差。
2．图3中金属A与金属B的长短是否对回路电流大小或电动势有影响？查资料知，温差电动势的大小只与工作端和参考端的温差及电极材料有关，与电极的长度、直径无关。
温差电效应及其应用_戴岩伟
较复杂，其第一级近似式为
ε＝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。
图 1 热电偶示意图
热电偶可用电测量温度。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，
现代物理知识
再用电位差计测出热电偶回路的电动势，就可求出 待测温度。这样就构成了温差电偶温度计。这种温 度计测温范围很广，可在−200～2000℃范围内使用， 从液态空气的低温到炼钢炉中的高温均可用温差电 偶测定。例如铜和康铜构成的温差电偶的测温范围 在 200～400℃之间；铁和康铜则被使用在 200～ 1000℃之间；由铂和铂铑合金（铑 10%）构成的温 差电偶测温可达上千摄氏度以上；铱和铱铑（铑 50%）可用于 2300℃；若用钨和钼（钼 25%）则可 高达 2600℃。温差电偶的测温灵敏度和准确度很高， 可达 10−3K 以下，特别是铂和铑的合金制成的温差 电偶稳定性很高，常用作标准温度计。温差电偶的 测温端的面积和热容量均很小，可测量小范围内的 温度或微小热量，这对研究金相变化、化学反应和 小生物体的测温等有重要意义。将温差电偶的测温 端封装在真空管内，并在端点焊上涂黑的金属片， 可更有效地吸收辐射热，灵敏度也大大提高，是测 定光辐射和红外线的重要检测器件。把许多温差电 偶串接起来成为温差电堆，可增大温差电动势，从 而提高测温灵敏度。
Z = α 2σ ， λ
式中α是温差电动势率、σ 是电导率、λ是热导率。 由于半导体温差电材料的品质因数比金属的高得 多，所以有实用价值的温差电材料都是用半导体材 料制成的。
温差半导体发电有着无噪音、寿命长、性能稳 定等特点。可在−40 摄氏度的寒冷环境中迅速启动， 因此在实际中得到越来越广泛的应用。半导体温差 发电机，目前主要用于油田、野外、军事等领域。 如美国 Teledyne Inc.开发的军用、油田专用发电机
演示实验之温差发电
实验图片大学物理演示实验实验报告温差发电实验报告[姓名]|2016年10月13日1.实验名称演示实验——温差发电2.实验现象的描述准备好实验装置温差发电仪，将三只杯子装满开水，放到温差发电仪的接触面上，稍等片刻，会发现依次旋转螺旋按钮，会看到小灯泡变亮，发光二极管闪烁，音乐片发出悦耳的音乐。
3.实验所涉及的物理知识（一）赛贝尔效应如图一所示，将两种不同的导体a和b（n-型和p-型半导体）串联组成回路，并使接头1和接头2保持在不同的温度T1和T2（T1>T2），p-型半导体中的空穴和n-型半导体中的电子会分别向高低温端积累，这样在导体b的开路位置X和y之间就会有一个电势产生，这一效应称为温差电现象，即赛贝克效应。
将由N、P两种类型不同的半导体热电材料经电导率较高的导流片串联，并在A、B两端建立温差，则在负载RL两端施加电压，即可制成有一定输出功率和输出电压的发电器，温差电动势与两个接头的温度和组成闭合回路的物质有关。
在温度相差不大的范围内，温差电动势Eab与温差ΔT成正比，可表示为Eab=KΔT 。
图一图二（二）温差发电原理温差发电的原理如图二所示。
它由N、P两种不同类型的半导体热电材料经过导电性好的导流片串联而成，当热端加热时，使器件的两端建立起温差，两种载流子都流向冷端，形成温差发电器。
4.实验现象的历史和应用(一)温差发电现象的历史1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”【1】。
1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应。
【2】1837年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比。
1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。
大学物理实验讲义资料
算数平均值的标准偏差：
uA
1 n(n 1)
n
(xi x)2
i 1
n
测量误差
多次测量的最佳值
算数平均值：
n
xi
lim x lim i1
n
n n
残差（偏差）：
x xi x
绝对误差：
A X A
测量误差
随机误差的估算
无限次测量时单次测量的标准误差
—间接测量
不能用仪器或量具直接测得，需 要先通过对于带测量相关的一个 或几个物理量的直接测量，再根 据物理原理、公式算出待测物理 量。
110cm
M h V hd 2
4 d
测量
等精度和非等精度测量
—等精度测量
对某个物理量进行多次重复测量，每次测量条件都相同（同一环境、 同一观测者、同一种仪器、同一种方法）时测得的一列测量值，每次 测量的可靠程度都相同，相应的一组观测值称为一个等精度测量列。
不确定度评定
直接测量结果的不确定度评定
标准偏差：
n
(xi x)2
i 1
n 1
标准误差：uA
1 n(n 1)
n i 1
(xi
x)2
n
测量结果的不确定度
直接测量结果误差计算步骤：
步骤
计算
1 修正测量数据中的可定系统误差
2 计算修正后的测量列的 x
大学物理实验
重庆第二师范学院 数学与信息工程系
2014年9月
物理实验规定
1、未撰写预习报告（或未预习），教师有权停止本次实验并扣分； 2、 实验使用对应序号实验项目的设备，实验后整理好仪器后离开； 3、 原始数据记录须经教师检查、签名确认，附在实验报告上； 4、 有事必须事先请假，实验必须事后补做； 5、 有下列情况之一者，物理实验总成绩评定为不及格：
20.温差电效应
实验二十热电转换演示仪一-温差电效应【仪器介绍】热电转换仪如图20-1所示，两个玻璃烧杯，温度计（两个），直流稳压电源。
图20-1热电转换演示仪【操作与现象】1.西伯克（Seebeck）效应（1）将热电转换仪开关掷到“up”的位置。
（2）将转换仪的一边金属支架放到热水屮，将另一条金属支架放到冷水中，温度计分别放入其中。
（3）过一段时间，热水屮的能量就被转换成功，可以看到风扇转动起来。
（4）将热水和冷水倒入到一个更大的容器中，并将两支架都放入其中，这时风扇就不再转动了。
（5）更进一步，将一支架放到混合液中，而另一支架放入到冷水中，观察现象。
2.帕尔帖（Peltire）效应（1）将稳压直流电源连接到热电转换仪上。
（2）将转换仪开关掷到“down的位置，打开电源开关。
（3）等上一段时间，就可以感觉到两边金属支架的温度有差别了（注意：在这个实验中，没有必要将转换仪支架放入水屮）。
(4) 为了能观察得更细致，可以让转换仪从室温开始工作，经过一段时间后，用温度 计分别 测量两边支架的温度，以便具体地观察出温度的差异。
3.在演示完帕尔帖(Peltire)效应后，关闭电源。
将转换仪开关掷到 “ up 的位置，等 段时间，转换仪两边支架温度不同，其Z 间的温差将产生电流，电风扇旋转起来。
【原理解析】温差电效应又称为热电效应，是当受热物体屮的电子，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。
在无外磁场的作用下，它包括以下几个效应：1・塞伯克 (Seebeck)效应有两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差，这开路屮将产生电动 势E,这就是塞伯克效应。
由于西伯克效应而产生的电动势称作温差电动势。
材料的塞伯克效应的大小，用温差电动势率a 表示。
材料相对于某参考材料的温差电动势率 为： 由两种不同材料P 、N 所组成的电偶，它们的温差电动势率 弘等于&与比之差，即 Q 金乩 2•帕尔帖(Peltire)效应电流流过两种不同导体的界面时， 将从外界吸收热量，或向外界放岀热量。
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温差电偶的定标和测温(讲义)
由两种不同金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电动势，这就是热电效应。
这一效应于1821年被德国物理学家塞贝克Thomas Johann Seebeck（1780～1831）发现，因此又称“塞贝克效应（Seebeck effect）”。
1830年，人们就为它找到了应用场所。
利用热电效应，可制成温差电偶（thermocouple，即热电偶）来测量温度。
只要选用适当的金属作热电偶材料，它就可轻易测量到从－180℃到＋2000℃的温度，如此宽泛的测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。
现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达＋2800℃的温度。
此外，利用这一效应制作的温差电偶温度计还有很多优点，结构简单、制作方便，灵敏度准确度高（可达10-3℃以下），热容量小，响应快，可用于微区测温，广泛用于实时测温和监控系统。
本实验的热电偶由铜和康铜构成。
【实验目的】
（１）理解温差电偶测温原理和定标方法。
（２）学会用温差电偶测量未知温度。
【实验仪器】
数字电压表、保温瓶和铜—康铜温差电偶、HW-1恒温控制加热仪。
【实验原理】
温差电偶概念
若将A、B两根不同的金属或合金丝的端点互相连接(接点焊接或熔接)成为一闭合回路，并使两接点处于不同温度，如图1所示，则由于温差电效应，回路中将产生电动势，称为温差电动势。
这种闭合回路称为温差电偶或热电偶。
使用温差电偶测温时，常把一个接点置于某一恒定温度，称为参考点；另一接点作为测温点。
图1 温差电偶
对于温差电动势，其产生的机理有两种，一种称为帕尔贴（J.C.A.Peltier ，1785-1845）电动势，另一种称为汤姆逊(William Thomson, 1st Baron Kelvin ，1824-1907)电动势。
前者是由于不同金属(与塞贝克效应不同，帕尔贴效应不仅可以产生在两种不同金属的交界面，或者一种多相材料的不同相界间，也可以产生在非匀质导体的不同浓度梯度范围内)接触引起，由接触面两侧金属内不同浓度自由电子的扩散形成，当扩散平衡时，在两种金属间形成稳定电位差；后者是由于同一种金属两端所处温度不同导致，高温端的自由电子好像气体一样向低温端扩散，并在低温端堆积起来，从而在导线内形成电场，由电子热扩散不平衡建立的电场反过来又阻碍不平衡热扩散的进行，最终达到动态平衡，使金属两端形成一稳定的电势差。
如果要在金属构成的闭合回路中形成电动势，必须满足两个条件：一是回路由两种金属构成，二是两个接点处温度不同。
讨论如下：
当闭合回路由两种金属构成，但接点处温度相同，即满足第一个条件而不满足第二个条件时，两接触面间将建立相等而相反的电动势，因而形不成恒定电流。
只有两接点温度不同，两个珀耳帖电动势不等，回路中才会形成电动势。
温差越大，形成的电动势也越大。
当闭合回路的两个接点处温度不同，而由一种金属构成，即满足第二个条件而不满足第一个条件时，两段导线形成的闭合回路内将建立起相等而相反的两个电势，互相抵消，因而不能形成电动势，这就要求把两种不同材料的金属连接成闭合回路，两个汤姆逊电势不相等，才不会抵消，回路中就会有电动势存在。
温差越大，形成的电动势也越大。
总之，热电偶回路中产生的温差电动势是由帕尔贴电动势和汤姆逊电动势联合组成的，统称为温差电动势。
对于帕尔贴电动势，其热端和冷端的总接触电势差为：
B
A A
B t t e k E σσln )(12-=
∆
式中k 为波尔兹曼常数，e 为单位电荷电量，A σ和B σ分别为金属A 、B 的电子密度，t 为温度。
对于汤姆逊电动势，两种金属总的汤姆逊电动势电势为：
热电偶产生的热电势是由两种导体的总接触电势和总汤姆逊电势所组成，为：
当制作电偶的材料确定后，温差电动势的大小就只决定于两个接触点的温度差，一般说，电动势和温差的关系非常复杂，若取二级近似，可表为如下形式
式中， 2t 为热端温度；1t 是冷端温度；而C 、d 是电偶常数，它们的大小仅决定于组成电偶的材料。
粗略测量时，可取一级近似
（1）
由（1）式可知，只要确定电偶常数C 和参考温度1t ，就可以根据电动势AB E 求得待测温度
2t 。
测温仪器的设计
根据以上讨论，可以设计测温仪器。
待测温度的数值是通过热电偶在回路中产生的温差电动势计算所得，为了测定这温差电动势，需在闭合回路中接入测量仪表，如图2所示。
图2 测量仪表接入温差电偶
这就相当于把第三种金属（如电位差计的电阻丝）串入回路。
理论上可以证明，在A 、B 两种金属之间插入任何一种金属C ，只要维持它和A 、B 的联接点在同一个温度，这个闭合电路中的
()⎰⋅-='∆2
1t t B A AB dt
E σσ()()()()()
12121221ln ,t f t f dt n n t t e k
E E t t E t t B A B
A A
B AB AB -=-+-=
'∆+∆=⎰σσ()()
2
1212t t d t t C E AB -+-=()12t t C E AB -=
温差电动势总是和由A、B两种金属组成的温差热电偶中的温差电动势一样，与第三种导体的接入位置和接入长度无关，如图3所示。
这叫中间导体定律。
图3 接入温差电偶的导线
这一定律对于降低成本和便利测量具有积极意义。
例如热电偶的材料是贵金属时，为了降低贵重金属的使用量，中间就用低成本金属导线代替；而如果测温点到仪表的距离很远，为了节省热电偶材料，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。
需要指出，热电偶补偿导线的作用是延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上。
基于上述讨论，如果用铜—康铜作为温差电偶材料，其实际的测温装置可以如图4所示。
将构成温差电偶的两金属的一端点都放入温度ｔ0为已知的恒温物质（例如冰水）中。
用两根铜线的一端引入数字电压表的补偿回路中，就可以测其温差电动势。
图4 温差电偶测电动势示意图
图5 恒温控制仪
【实验内容及步骤】
1.温差电偶定标
要用温差电偶测温，首先需要给电偶定标，即通过实验测定温差电动势与测温端温度的关系曲线，也就是确定（1）式的系数。
定标方法有两种。
一种是定点法。
利用已知的几个固定点温度，例如：水的沸点、水的三相点、氮的三相点、某些纯金属的凝固点等，作为已知温度，测出温差电偶在这些已知温度下的电动势，用最小二乘法以多项式拟合实验曲线，求出常数C。
另一种是比较法。
用标准测温仪与未知温差电偶置于同一恒温加热器中，改变温度进行对比，也可作出Ｅ～ｔ定标曲线，本实验即采用比较法对铜—康铜温差电偶进行定标。
用比较法定标铜—康铜温差电偶，具体步骤如下：
（1）将热电偶热端插入恒温控制加热仪的样品插入口，热电偶冷端放入保温瓶内冰水混合物中。
（2）将热电偶的红接线叉接数字电压表输入端（＋），黑接线叉接数字电压表输入端（-），校准电位差计。
（3）打开电源开关，PID智能温控仪上显示的为室温，测出室温与０℃温差的电位差值。
用“功能选择键”将温控仪处于设定状态，设定预设温度Ｔ1（预设温度可设置在室温以上一个整５整10位置如25℃，30℃等）。
预设温度Ｔ1设定确认后，用“功能选择键”将仪器回到控制状态，仪器即刻进入自动加温控温过程。
当达到平衡后，即Ｔ1－Ｔ0（℃）显示为0.0附近时，用电位差计测出电位差，并分别记录电位差和相应温度。
进入下一个预设温度后（与前一个预设温度点相比增加5℃），继续分别测电位差和测温。
按这样的方法每隔5℃测量一次，一直测到95℃。
（4）利用微机用最小二乘法处理数据。
按有效数字规则记录微机所给数据，写出)(t f E =表达式。
2.测温
观察电动势的变化，记录数据，根据上述标定实验所得)(t f E =公式表达式，计算测温端的温度'
1t 。
具体步骤如下：
（1）关闭“样品加热”开关，开启“降温风扇”开关。
（2）降温过程中，每隔 0.2伏 记录电压值和对应的温度值。
（3）把记录的电压值带入表达式)(1t f E =，计算测试点的温度'
1t 。
（4）选取若干所测温度，计算所其相对误差。
【注意事项】
仪器降到室温后，关闭电源开关。
【数据记录】
2.测温数据
【思考题】
（1）实验时，温度和电动势连续地改变，应如何操作和读数才能使测量数据较准？
（2）数字电压表内的导线和元件可能由其他金属材料制成。
试论证：只要接到数字电压表的两根导线材料相同，并且数字电压表中各接点维持同一温度，则整个回路的电动势仅由金属Ａ、Ｂ和ｔ、ｔ0决定。
【附录】
常用温差电偶材料和性能（写在前边的材料为正极）。