Temperaturmessung mit einem Thermoelement

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Temperaturmessung mit einem Thermoelement (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Wärmelehre Unterthema: Temperatur Experiment: Temperaturmessung mit einem Thermoelement Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Leicht 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Butanbrenner Labogaz Butan-Kartusche C 206 ohne Ventil, 190 g Vielfachmessinstrument, analog Siedesteinchen, 200 g Schmirgelpapier, mittlere Körnung, 5 Bogen Kombizange Schere Streichhölzer Eis, zerstoßen (Eiswürfel, Hammer und Tuch) Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformationen Berühren sich zwei verschiedene Metalle, so kommt es wegen der unterschiedlichen Austrittsarbeit der Elektronen aus der Metalloberfläche zu einer Kontaktspannung. Die Größe dieser Spannung ist von der Temperatur abhängig, da die Elektronen mit zunehmender Temperatur mehr Bewegungsenergie erhalten. Auch beim Anschluß eines Messinstrumentes an einen Leiter treten diese Spannungen auf. Sie heben sich aber gegenseitig auf (verfälschen also das Messergebnis nicht), wenn beide Zuleitungen zum Messinstrument aus dem gleichen Material bestehen. Ein Thermoelement besteht aus einem Paar verschiedener Metalle, z.b. Eisen und Konstantan. Bringt man die beiden Kontaktstellen des Thermoelements auf unterschiedliche Temperatur, so kann man die Differenz der Kontaktspannung als Thermospannung messen. U = - U 1 + U M U 0 + U 1 U = U M U 0

2 Lehrer-/Dozentenblatt Die Schüler sollen in diesem Versuch die Funktionsweise eines Thermoelementes kennen lernen. Sie sollen feststellen, dass bei der Messung mit einem Thermoelement immer 2 Lötstellen wichtig sind, eine Messstelle und eine Vergleichsstelle. (Die Vergleichsstelle ist bei fertig konfektionierten Thermoelementen meist im Stecker enthalten.) Sie sollen beobachten, dass die Thermospannung etwa linear mit der Temperatur zunimmt. Hinweise zu Aufbau und Durchführung Falls keine Thermospannungen auftreten, ist die Qualität der Kontaktstellen zu überprüfen. Die Enden der Drähte müssen gut blank gerieben sein. Die verdrillten Drähte sollten evtl. mit Hilfe einer Kombizange zusammengedrückt werden, damit die beiden Thermodrähte guten Kontakt haben.

3 Temperaturmessueg mit eieem Thermoelemeet (Artikeler.: P ) Aufgabe ued Material Aufgabe Wie fuektioeiert eie Thermoelemeet? Fertige aus Eisendraht und Konstantandraht ein Thermoelement und untersuche, wie es zur Messung von Temperaturen verwendet werden kann.

4 Material Positioe Material Besteller. Meege 1 Stativfuß, variabel Stativstange Edelstahl 18/8, l = 250 mm, d = 10 mm Stativstange Edelstahl 18/8, l = 600 mm, d = 10 mm Doppelmuffe Glasrohrhalter mit Maßbandklemme Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, blau Ring mit Muffe, verzinkt, Innendurchmesser 100 mm Drahtnetz mit Keramik, 160 x 160 mm Schülerthermometer, C, l = 180 mm Rührstab Becherglas DURAN, niedrige Form, 250 ml Becherglas DURAN, niedrige Form, 400 ml Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, rot Krokodilklemme, blank, 10 Stück (2) 15 Konstantandraht, 4 Ohm/m, d = 0,4 mm, l = 50 m Eisendraht, d = 0,5 mm, l = 50 m Zusätzliches Material 17 Butanbrenner Labogaz Butan-Kartusche C 206 ohne Ventil, 190 g Vielfachmessinstrument, analog Siedesteinchen, 200 g Schmirgelpapier, mittlere Körnung, 5 Bogen Bogen 22 Kombizange Schere 1 24 Streichhölzer 25 Eis, zerstoßen (Eiswürfel, Hammer und Tuch) Aufbau ued Durchführueg

5 Aufbau Achtueg! 1. Beim Erwärmen des Wassers werden der Stativring und das Drahtnetz sehr heiß! 2. Beim Messen der Flammentemperatur sollten die Drähte möglichst weit entfernt von der Messstelle angefaßt oder mit einer Zange gehalten werden! Aufbau Baue das Stativ wie in den folgenden Abbildungen auf. Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3

6 Abb. 4a Abb. 4b Abb. 5 Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8

7 Schneide vom Konstantandraht 1 Stück und vom Eisendraht 2 Stücke von jeweils ca. 70 cm Länge ab. Abb. 9 Reibe die Enden der Drähte mit Schmirgelpapier blank. Abb. 10 Verdrille jedes Ende des Konstantandrahtes fest mit einem Eisendraht. Abb. 11 Die verdrillten Enden sollten noch mit Hilfe einer Kombizange zusammengedrückt werden, um den Kontakt zu verbessern.

8 Abb. 12 Zerkleinere Eis mit einem Hammer, wobei du es vorher in ein Tuch wickelst, damit keine Splitter wegspringen. Abb. 13 Abb. 14 Fülle das große Becherglas etwa zur Hälfte mit Eis. Abb. 15 Gib 2 Siedesteinchen hinzu.

9 Abb. 16 Gib soviel kaltes Wasser dazu, bis das Eis gerade eben bedeckt ist. Abb. 17 Fülle das kleine Becherglas etwa zur Hälfte mit möglichst kaltem Leitungswasser (unter 20 C). Abb. 18 Stecke eine Kontaktstelle in das Eiswasser, die andere in das Leitungswasser.

10 Abb. 19 Abb. 20 Die Kontaktstellen sollen sich vollständig im Wasser befinden. Knicke die Drähte so über den Becherrand, dass sie nicht herausrutschen. Schließe das Messinstrument nach folgenden Abbildungen an und stelle den Gleichspannungs-Messbereich 100 mv ein.

11 Abb. 21 Abb. 22 Abb. 23

12 Durchführueg 1. Versuch Lies den angezeigten Messwert ab. Pole das Messgerät ggf. um. Erhitze das Wasser bis zum Sieden. Rühre dabei um damit am Thermometer sowie am Draht die gleiche Wassertemperatur herrscht. Miss dabei in Schritten von 20 C die Thermospannung und trage die Messwerte in die Tabelle im Protokoll ein. 2. Versuch Nimm die Vergleichsstelle aus dem Eiswasser und halte sie ebenfalls in das heiße Wasser. Lies die Thermospannung ab und protokolliere den Wert im Protokoll. Abb Versuch Tauche die Vergleichsstelle wieder in das Eiswasser. Halte die Messstelle möglichst vollständig in die Flamme. Notiere die Thermospannung. Abb. 25

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14 Protokoll: Temperaturmessueg mit eieem Thermoelemeet Ergebeis - Tabelle 1 (5 Puekte) 1. Versuch: Die Temperatur der Vergleichsstelle ist 0 C (Eiswasser). Trage die Thermospannung in die Tabelle ein. ϑ in C U in mv 1 ±0 1 ±0 1 ±0 1 ±0 1 ±0 Number U in mv ϑ in C

15 Ergebeis - Beobachtuegee 1 (10 Puekte) 2. Versuch: Was passiert mit der Thermospannung, wenn sich beide Kontaktstellen in heißem Wasser befinden. Ergebeis - Beobachtuegee 2 (1 Puekt) 3. Versuch: Messstelle in der Flamme. Temperatur der Vergleichsstelle: 0 C (Eiswasser) Thermospannung (Mittelwert): mv. Auswertueg - Frage 1 (10 Puekte) Beschreibe den Zusammenhang zwischen den gemessenene Temperaturen und Thermospannungen in Worten.

16 Auswertueg - Frage 2 (10 Puekte) Welche Bedeutung hat die Vergleichsstelle für die gemessene Thermospannung? Auswertueg - Frage 3 (10 Puekte) Wie groß ist die Empfindlichkeit des Thermoelementes, d.h. wie groß ist die Thermospannung für eine Temperaturdifferenz von 1 C?

17 Auswertueg - Frage 4 (10 Puekte) Wie groß ist demnach in etwa die Temperatur der Flamme?