大学物理实验报告
实验3-7 温差电动势的测量
一、实验目的：
测量热电偶的温差电动势。

二、实验器材：
UJ31型箱式电位差计、热电偶、光点式或数字式验流计、标准电池、直流稳压电源、温度计、电热杯、带温度显示的水浴锅、保温杯。

三、实验原理：
1、热电偶
两种不同金属组成一闭合回路时，若两个接点A、B处于不同温度T0和T，则在两接点A、B间产生电动势，称为温差电动势，这种现象称为温差现象。

温差电动势ε的大小除和热电偶材料的性质有关外，另一决定的因素就是两个接触点的温度差（T-T0）。

电动势与温差的关系比较复杂，当温差不大时，取其一级近似可表示为
ε =C（T-T
）
式中C为热电偶常数(或称温差系数），等于温差1℃的电动势，其大小决定于组成热电偶的材料。

热电偶可制成温度计。

为此，先将T0固定用实验方法确定热电偶的ε-T关系，称为定标。

定标后的热电偶与电位差计配合可用于测量温度。

与水银温度计相比，温差电偶温度计具有测量范围大（-200～2000℃），灵敏度和准确度高，便于实验遥测和A/D变换等一系列优点。

2、电位差计
电位差计时准确测量电势差的仪器，其精度很高。

用伏
特表测量电动势x E，伏特表读数为U=x E-IR，其中R为
伏特表内阻。

由于U<x E,故用伏特表不能准确测量电动势。

只有当I=0时，端电压U才等于电动势x E。

如图，如果两个电动势相等，则电路中没有电流通过，I=0，
N E =x
E 。

如果
N
E 是标准电池，则利用这种互相抵消的方法就能准确地测量被测的电动势x E ，
这种方法称为补偿法，电位差计就是基于这种补偿原理而设计的。

在实际的电位差中，
N
E 必须大小可调，且电压很稳定。

电位差计的工作原
理如图所示，其中外接电源E 、制流电阻P R 和精密电阻AB R 串联成一闭合电路，称为辅助回路。

当有一恒定的标准电流
o
I 流过电阻AB R 时，改变AB
R 上两滑动头C 、D 的位置就能改变C 、D 间的电位差
CD
V 的大小。

由于测量时应保证
o
I 恒定不变，所
以在实际的电位差计中都根据o
I 大小把电阻的数
值转换成电压值，并标在仪器上。

CD
V 相当于上面
的“
N
E ”，测量时把滑动头C 、D 两端的电压
CD
V 引出与未知电动势x E 进行比较。

（1）校准： 根据标准电池电动势N
E 的大小，选定C 、D 间的电阻为N
R ，
使
N E =o I N
R ，调节P R 改变辅助回路中的电流，当验流计指零时，AB R 上的电压
恰与补偿回路中标准电池的电动势N
E 相等。

由于
N
E 和
N
R 都准确地已知，这时
辅助回路中的电流就被精确地校准到所需要的o
I 值。

（2） 测量： 把开关倒向x E 一边，只要x E ≤o I N R ，总可以滑动C 、D 到'
D 'C 、使检流计再度指零。

这时'D 'C 、间的电压恰和待测的电动势x
E 相等。

设'D 'C 、之间的电阻为
x
R ，可得x E =
o I x
R 。

因o I
已被校准，x E 也就知道了。

由于电位差计的实质是通过电阻的比较把待测电压与标准电池的电动势作比较，此时有
N N
x
x E R R E =
因而只要精密电阻AB R 做得很均匀准确、标准电池的电动势
N
E 准确稳定、
检流计足够灵敏、电源很稳定，其测量准确度就很高，且测量范围可做的很广。

但是，在电位差计的测量过程中，工作条件常易发生变化（如辅助回路电源E
R不稳定等），为保证工作电流标准化，每次测量都必须经过不稳定，制流电阻P
校准和测量两个步骤，且每次要达到补偿都要进行细致的调节，所以炒作较为繁琐、费时。

由于数字式电压表的精度和准确度都很好，温差电动势的测量也可以采用数字电压表。

测量前，需要把数字电压表的两个接线端连接起来，对数字电压表进行调零。

把数字电压表的两个接线端接在温差电偶的两个信号输出端，选择合适的电压量程，就可以开始测量。

四、实验步骤
1、给水浴锅加水至与烧杯内水面相平，盖好盖子，给保温杯装适量水。

2、把数字万用表调零。

3、将热电偶的一端置于水浴锅中，另一端置于保温杯中。

4、将数字万用表和热电偶的红黑接线柱相连，接通电源，开始实验
5、测量升温过程不同温度点的温差电动势。

从61℃开始，每隔4℃测量一次，至89℃为止。

数据记录到表3-7-1内。

注意，在这个温度梯度中，任选两组温度进行数据记录，作为验证组。

表3-7-1 测量数据表
五、数据记录：
表3-7-1 测量数据表
六、数据处理
1、利用最小二乘法定出温差系数C 。

根据表3-7-1 测量数据表的数据，作图有：
由上图可知，热电偶的温差系数为
C=4.34×10-2mV/K 热电偶的ε-T 关系为ε为
ε=4.34×10-2T-13.186 （1）
2、ε-T 关系的验证。

将实验组数据带入（1）式中有
ε验证1=4.34×10-2×348-13.186=1.917mV ε验证2=4.34×10-2×356-13.186=2.264mV
热端温度T /℃ 61
65
69
73
验证组
77 81
验证组
85 89
75
83
开尔文温标
T/K 334 338 342 346 348
350
354
356
358
362
降温电动势ε/mV
1.29 1.47 1.66 1.82 1.90 1.98
2.15 2.25 2.35 2.51
则 ε的验证值和真实值之间的误差为：
%
58.0%100250
.2250
.2-.2642%100|
-|%
84.0%100900.1900
.1-917.1%100|
-|2
22111=⨯=⨯=⨯=⨯真实真实验证真实真实验证εεεεεε 七、实验结论
由以上数据处理可知，两组的验证值和实验值的误差分别为0、84%和0.58%，
在误差的范围内，可以认为ε验证1=ε真实1，ε验证2=ε真实2。

所以温差电动势和温度之间的关系可以用式子（1）来表示，即 ε=4.34×10-2T-13.186
八、误差分析
1、升温过快，认为数据记录不够准确。

2、水浴锅所带的温度显示器所测出的温度为水浴锅中水的温度，不是烧杯中水的温度，水浴锅中的水达到了所需要的温度而烧杯中的水可能还未达到所需温度，这就给数据记录带来了误差。

九、思考题
1、使用电位差计测量位置电压前要进行哪些操作？
答：检查电位差计量，计量检定合格证是否真实有效；大致判断要测量的电压范围，确认是在电位差计的测量范围之内，否则不能进行测量；接线；标准化，使检流计指零；将读数置于先前估计的范围内；测量。

2、如何确定热电偶的正负极性？
答：可在工作端加热，然后用仪表测量热电势，若读数增加，则接仪表正端的即为正极，另一端为负极。

3、为什么电势差计必须经过工作电流标准化后方可进行正确测量？
答：一般便携式电位差计使用电池，电池电压会慢慢降低的，为使测量准确，
每次测量前都要用内部标准电池校对。