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=El.
Jos B-levy on nollapotentiaalissa, on tultu pisteeseen, jossa potentiaali on V=El.
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.