22832

Ефект Пельтьє

Лабораторная работа

Физика

Ефект Пельтьє. Дійсно експериментально така закономірність відома як ефект Пельтьє спостерігається. Встановлено що при проходженні електричного струму через контакт двох провідників напівпровідників виділяється чи поглинається в залежності від напрямку струму деяка кількість теплоти Qn пропорційна величині струму I та часу його протікання t: Qn=It 1 де  коефіцієнт Пельтьє. Ефект Пельтьє тим значніший чим більше відрізняються положення рівнів Фермі у напівпровідниках.

Украинкский

2013-08-04

70.5 KB

11 чел.

Робота 14.

Ефект Пельтьє.

Згідно квантової теорії твердого тіла енергія вільних електронів різна в різнорідних матеріалах і визначається для кожного з них значенням енергії Фермі WF, що залежить від концентрації n вільних електронів в матеріалі (енергія Фермі – це гранична енергія заповнених електронних станів при Т=0, WFn1/2). Це означає, що перехід електронів з одного матеріалу в інший повинен супроводжуватися поглинанням або виділенням енергії. Дійсно, експериментально така закономірність, відома як ефект Пельтьє, спостерігається. Встановлено, що при проходженні електричного струму через контакт двох провідників (напівпровідників) виділяється чи поглинається (в залежності від напрямку струму) деяка кількість теплоти Qn, пропорційна величині струму I та часу його протікання t:

Qn=It,                              (1)

де - коефіцієнт Пельтьє.

 Якщо напрям струму такий, що електрони з більшою енергією переходять в матеріал, де електрони мають меншу енергію, то на контакті виділяється тепло. В протилежному випадку (перехід менш енергетичних електронів) відбувається охолодження контакту. Ефект Пельтьє тим значніший, чим більше відрізняються положення рівнів Фермі у напівпровідниках. А тому найбільш істотно цей ефект проявляється при пропусканні електричного струму через контакт двох напівпровідників різного типу.

Розглянемо, яка різниця температур може виникнути на кінцях напівпровідникового термоелемента (мал.33) при пропусканні через нього електричного струму.

Будемо вважати, що напівпровідники n і p – типу мають невеликий, приблизно однаковий опір. Вся напруга, що прикладається до термоелементу, практично буде падати на контактах АВ і ВА, а тому кожному контакту можна приписати опір, рівний 1/2R, де R – опір термоелемента. Тоді тепло Ленца-Джоуля, що

Мал. 33         виділяється на контакті.

                          (2)

На контакті, де ефект Пельтьє приводить до поглинання тепла, загальна кількість тепла:

                    (3)

Q1(t) (в чому можна легко пересвідчитись) має мінімум при

                      (мал.34)      (4)

Можливість існування такого мінімума (а значить охолодження контакту) слідує із чисто якісних міркувань. Справді, як видно з мал.34, при невеликих струмах переважає ефект Пельтьє, при збільшенні величини струму тепло Ленца-Джоуля стає по величині більше теплоти Пельтьє і ефективність охолодження зменшується.

Підстановка (4) в (3) дає:

                     (5)

Температура охолоджуваного контакту буде понижуватись доти, доки процес поглинання тепла за рахунок ефекту Пельтьє не буде зрівноважено за рахунок зустрічного потоку тепла q. (Нагадаємо, що згідно закону Фурє

, де - коефіцієнт теплопровідності,  - градієнт температур, що зумовлює потік, S – площа поверхні, розташованої

Мал.34        перпендикулярно потоку).

Умову рівноваги в нашому випадку можна записати так:

                         (6)

де T1температура холодного контакту для I=Iопт (для мінімума T(I); T2температура нагрітого контакту; - коефіцієнт теплопровідності; l – висота стовпчика термоелемента (НМХ); S – площа поперечного перерізу НМХ. У даній роботі температура T2 нагрітого контакту за допомогою радіатора підтримується приблизно постійною і дорівнює температурі оточуючого середовища – T0. Таким чином, знання величини R та координат мінімуму в залежності T=f(I) дає можливість визначити не тільки коефіцієнт Пельтьє   і коефіцієнт Зеєбека , а коефіцієнт теплопровідності з (6)

.                             (7)

У свою чергу знання величини теплопровідності , дає змогу, скориставшись законом Відемана-Франца (, де k – постійна Больцмана, е – заряд електрона), визначити питому теплопровідність матеріалу .

 Мета роботи: дослідження ефекта Пельтьє напівпровідникового мікрохолодильника.

 Необхідні прилади: джерело змінної напруги 0-9В, амперметр 0-10А, вольтметр,напівпровідниковий холодильник – елемент Пельтьє, термопара, мілівольтметр (Mastech MY-65).

Мал. 35

Амперметр 2 та вольтметр 3 використовуються для вимірювання струму, який проходить через елемент Пельтьє, та падіння напруги на елементі Пельтьє.

Для вимірювання температури використовується термопара К-типу (хромель-капель). Для вимірювання термо Е.Р.С. використовується мультиметр Mastech MY-65 (позначений на схемі 6), включений в режимі вимірювання напруги, чутливість 200 mV.

Порядок виконання роботи:

Увага! Перед включенням джерела змінної напруги вивести ручку регулювання напруги в крайнє ліве положення (проти годинникової стрілки).

  1.  Підключити мультиметр Mastech MY-65 до термопари.
  2.  Встановити початковий струм через елемент Пельтьє 0,5 А.
  3.  За допомогою джерела змінної напруги (ручка “Регулювання

напруги”) змінювати величину струму в інтервалі 0,5 – 2,4 А, з кроком 0,1 А.

  1.  Після кожної установки величини струму проводити вимірювання відповідної величини термо ЕРС термопари не раніше ніж через 1 хвилину. Значення термо ЕРС перераховується в градуси Цельсія за формулою:

де U – величина термо ЕРС в мілівольтах, Tkкімнатна температура.

  1.  Паралельно з цим, для кожного значення струму, записувати значення V – падіння напруги на елементі Пельтьє.
  2.  Результати вимірювання заносити в таблицю:

I, A

0,5

0,6

2,4

V, В

U, mV

TC

Завдання до роботи:

1.Дослідити залежність температури спаю, що охолоджується, від сили струму T=f(I). Для визначення величини RНМХ отримати залежність U=f(I).

2. Визначити коефіцієнт Пельтьє () і Зеєбека (T).

3. Визначити коефіцієнти теплопровідності та електропровідності напівпровідника.

Контрольні питання:

  1.  Чим відрізняється тепло Пельтьє від тепла Джоуля-Ленца?
  2.  Вивести формулу для коефіцієнта Пельтьє згідно методу, який використовується в даній роботі.
  3.  За яким принципом працює термохолодильник?
  4.  У чому суть ефекта Зеєбека?
  5.  У чому суть закона Відемана-Франца?

Список літератури

  1.  Сивухін Д.В. Общий курс физики.-М., 1982.-С.481-490.
  2.  Калашников С.Г. Электричество.-М., 1970.-С.492-517.

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2202. Измерение микротвердости покрытий и тонких слоев материала 379.18 KB
  Ознакомиться с конструкцией и работой прибора ПМТ-3. Освоить методику измерения микротвердости различных объектов.
2203. Экономическая теория, ее основные показатели 2.93 MB
  Потребности общества и факторы производства. Ограниченность ресурсов. Кривая производственных возможностей. Альтернативные издержки. Закон убывающей эффективности. Развитие технологических способов производства. Исторические формы организации производства. Научно-технический потенциал. Новая техника и технология. Уровни организации экономической системы.
2204. Защита территории от затопления 541.9 KB
  Технология строительства нагорного канала механизированным способом. Закрепление откосов канала растительным грунтом. Выбор машин для вскрышных работ и разработки и транспортировки грунта. Сводный укрупненный план организации строительства. Охрана природы и окружающей среды в период проведения работ.
2205. Определение эквивалента металла объединённым методом 22.34 KB
  Определить эквивалент металла. Определить металл. Определить ошибку опыта.
2206. Управление в биомедицинских системах 831.22 KB
  Основные принципы управления. Управление по отклонению (принцип обратной связи). Характеристика компаундирования. Математическое описание систем управления. Линейные детерминированные системы. Правила преобразования структурных схем.
2207. Методические указания по экономическому обоснованию дипломных проектов на мехфаке 90.2 KB
  Методика организационно – экономической оценки основных приемов и способов производства. Определение выхода продукции в расчете на гектар земли (урожайность) и на голову животных (продуктивность). Определение чистого дохода и уровня рентабельности. Экономическая эффективность конструкторской разработки.
2208. Задачи по электротехнике и электронике 218.93 KB
  Структурные схемы электронного усилителя электронного генератора. Составление схемы двухполупериодного выпрямителя. Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.
2209. Исследование фильтров на поверхностных акустических волнах 1.04 MB
  Изучить назначение, конструкции и основы технологии фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), а также их основные характеристики. Исследовать амплитудно-частотные характеристики фильтров для УПЧИ и УПЧЗ современных телевизоров, влияние температуры на их характеристики.
2210. Разработка эффективной ассортиментной политики филиал ОАО Татспиртпром Винзавод Казанский 449.88 KB
  Теоретические основы формирования ассортиментной политики организации. Управление ассортиментной политикой организации на примере Филиала ОАО Татспиртпром Винзавод Казанский. Социально-экономическая оценка эффективности мероприятий по формированию оптимальной ассортиментной политики организации. Правовое обеспечение предложенных мероприятий по формированию оптимальной ассортиментной политики организации.