Thermoelectriciteit: Thermokoppels en het Seebeck-effect begrijpen

Onderdelen en Materialen

• Lengte kaal (ongeïsoleerd) koperdraad
• Lengte kaal (ongeïsoleerd) ijzerdraad (of aluminium indien niet beschikbaar)
• Kaars
• IJsblokjes

Kruisverwijzingen

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Hoofdstuk 9: "Electrical Instrumentation Signals"

Leerdoelen

• Illustreren hoe een thermokoppel functioneert en het praktische doel ervan.

Schema Diagram

Illustratie

Experiment Instructies

1. Draai één uiteinde van het ijzerdraad aan één uiteinde van het koperdraad. Verbind de vrije uiteinden met een klemstrook. Stel een voltmeter in op het meest gevoelige bereik en verbind het met de klemstrookterminals. De meter zou bijna nul spanning moeten lezen.

2. Deze assemble is een thermokoppel, een apparaat dat een spanning genereert evenredig aan het temperatuurverschil tussen zijn juntie (de gedraaide tip) en de referentiepunten op de strip. Wanneer de tiptemperatuur gelijk is aan de strip, is de spanning nul.

3. Steek een kaars aan en steek de gedraaide tip in de vlam. Observeer de voltmeter: een positieve spanning zou moeten verschijnen. Haal de tip eruit, laat het afkoelen, en bevestig dat de spanning terugkeert naar bijna nul.

4. Raak de tip aan een ijsblok. Noteer de spanning; let op of het groter of kleiner is dan de vlammeting en of de polariteit omkeert. Warm de tip dan op door het tussen je vingers te houden en kijk hoe de spanning neigt naar nul.

5. Het experiment demonstreert het Seebeck-effect – de generatie van een spanning door een temperatuurgradiënt langs een geleider. Thermokoppels benutten dit principe; de spanning is het verschil tussen de Seebeck-spanningen van de twee ongelijke metalen.

Wetenschappelijke Achtergrond

Een thermokoppel bestaat uit twee verschillende metalen die aan één uiteinde samengevoegd zijn. Wanneer de juntie een temperatuurverschil ervaart ten opzichte van de andere uiteinden, ontwikkelt elk metaal zijn eigen Seebeck-spanning. De gemeten spanning is het verschil tussen deze twee spanningen:

Omdat de relatie tussen temperatuurverschil en spanning herhaalbaar en grotendeels lineair is, worden thermokoppels breed gebruikt als betrouwbare temperatuursensoren. Door verschillende metalenparen te selecteren, kan de meetbare temperatuurbereik afgestemd worden.