温差电现象的研究

电学八、温差电现象的研究

实验简介

不同的金属焊接在一起形成一闭合回路，此时只要保证两个焊接头有一定的温度差，回路中就会产生电动势，这就是温差电效应，又称热电效应。利用该原理可制成热电偶温度计。热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，且具有灵敏度和准确度高的特点，这对测量材料相变、化学反应和小生物体等的温度有重要意义。本实验研究热电偶温差电动势与焊点温差关系。

一、实验目的

将两种不同的金属焊接在一起形成一闭合回路，此时只要保证两个焊接头有一定的温度差，回路中就会产生电动势。本实验探索热电偶电动势与焊点温差之间的关系。

二、实验仪器

镍铬-镍铝热电偶、电位差计、标准电池、稳压电源、光电检流计、温度计、保温杯

三、实验原理

用两种不同金属A 和B 接成回路，两接头处分别维持不同温度T 0和T ，就构成热电偶，

回路中将产生电动势，称温差电势。此现象首先由T.J.塞贝克在1821年发现，故称塞贝克效应。温差电现象是导体中发生的热能和电能间能量可逆转换的一种形式。热电偶是通过测量温差电动势来间接测量温度的器件。

珀耳贴电动势是因不同金属材料中自由电子的密度不同而引起的。在两种金属的结点处，由于两种金属的逸出功不同，金属中自由电子浓度也不同，电子将发生迁移，使一种金属电子过剩，另一金属电子不足，在金属接触面间便出现了电场，该电场阻止电子进一步迁移，当达到动态平衡时，两金属A 和B 之间就有 稳定的电位差，按经典的金属电子理论计算，该接触电位差为：

()B

A A

B AB n n In e kT V V T V +

-=

式中是k 波尔兹曼常数，e 是电子电量，T 是金属接触面处的绝对温度。

将这两种不同的金属焊接在一起形成一闭合回路时，如果它们两接触点的温度相同，则这两个接触面间的电位差等值而反向，因而回路中接触电位差的总和为零。但如果两接触点的温度不同，则这两个接触面间的电位差虽反向却不等值，因而回路中接触电位差的总和不再为零，其热端和冷端的总接触电势差为：B

A A

B AB n n In

T T e

k T V T V )()()(1212-=

-=ε

假设自由电子浓度不随温度变化，热电偶温差电动势与两接触点的温度差成正比。从应用角度来讲，这是一种理想状况。如Cu-Fe 两材料的温差电动势随温差变化曲线为抛物线。一般说，电动势和温差的关系非常复杂，热电偶回路中产生的温差电动势大小不仅取决于电子扩

散而产生接触电势差大小（珀耳帖电动势），而且与因导体两端温度不同而产生电势差（汤姆逊电动势）相关。实际应用时我们将热电偶温差电动势与温差关系写为：

()()2

1212T T T T -+-=βαε

式中，T2为热端温度；T1 是冷端温度；而 α、β是热电偶常数，它们的大小仅决定于组

成热电偶的材料。粗略测量时，可取温差一级近似即 ：

()12T T -=αε

本实验研究镍铬-镍铝两种合金材料制成的热电偶的温差电现象，将一个接触点置于冰水中，另一个接触点置于不同的温度下，通过测量温差电动势来寻求这两种材料ε与（t —t 0）之间的函数关系。所以如果该热电偶的电动势与温差之间的关系已事先标定好，根据已知曲线，就可以得出待测温度。

由于不同金属的自由电子浓度相差很小，而k/e ≈8.6×10-5

(V/K),所以温差电动势在1000C 时大约是毫伏量级，为此实验选用UJ31型电位差计进行测量。

四、实验内容

1.查阅UJ31型电位差计使用说明；

2.对U31型电位差计正确连线（注意正负极性和稳压源电压取值）；

3.对U31型电位差计进行电流标准化；

4.测量热电偶冷端温度t 00C ；

5.测量镍铬-镍铝热电偶热端在不同温度t 0

C 时的温差电动势ε，作出ε—（t —t 0）图线（每变化50C —100C 测一点）；

6.再次测量热电偶冷端温度t 00C

在测量温差电动势时，若电位差计调至零仍不能实现补偿，说明在电位差计上热电偶正负极性接反了。

实验要求用2,bx a y bx a y x b a y +=+=+=和三种函数关系式进行最小二乘法拟合，根据相关系数r 来确定最终的热电偶电动势与接点温差函数关系式。

五、本实验可入手的创新点

1.在两种金属A 和B 间串接第三种金属导体C ，且C 的两端保持同一温度T 0，则温差电动势与C 的材料是否有关，可从理论上推导并用实验加以验证。

2.半导体中也存温差电现象，而且比金属导体显著得多。例如对金属，温差为1℃时的温差电动势仅几微伏，而半导体可达几毫伏。金属做的热电偶一般只用来测温，半导体热电偶可用作温差发电、制热或制冷装置。利用半导体热电偶设计一发热或制冷装置如电络铁。