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

12 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

12979. Математичне моделювання та диференціальні рівняння 300.5 KB
  Лекція 1 Математичне моделювання та диференціальні рівняння. 1.1. Поняття математичного моделювання. Поняття математичного моделювання трактується різними авторами по своєму. Ми будемо його повязувати з нашою спеціалізацією прикладна математика. Під ма
12980. Теорія систем та математичне моделювання лабораторні роботи 252.63 KB
  Теорія систем та математичне моделювання лабораторні роботи. Лабораторна робота №1. ТЕМА: Моделі що описуються диференціальними рівняннями. Диференціальні моделі руху механічних систем модель популяцій модель протікання захворюванн...
12981. Математичний аналіз. Відповіді 976 KB
  Математичний аналіз Числова послідовність та її границя. Границя й неперервність функції в розумінні Коші та Гейне. Властивості неперервних функцій на відрізку. Диференційованість функції. Критерії диференційованості. Локальний екстремум. Нео
12982. Системы искусственного интеллекта. Функциональная структура использования СИИ 24.24 KB
  Системы искусственного интеллекта. Основные понятия и определения Область применения Краткий исторический обзор развития работ в области ИИ Функциональная структура использования СИИ...
12983. Модели и методы решения задач 42.78 KB
  Лекции 23: Модели и методы решения задач Классификация представления задач. Логические модели. Сетевые модели Продукционные модели. Сценарии. Интеллектуальный интерфейс Классификация уровней понимания Методы решения задач. Решение задач методом поиска
12985. Представление знаний в интеллектуальных системах 76.5 KB
  Лекция 4: Представление знаний в интеллектуальных системах Предисловие Данные и знания. Основные определения. Особенности знаний. Переход от Базы Данных к Базе Знаний. Модели представления знаний. Неформальные семантические модели. Формальные модели предста...
12986. Представление знаний в интеллектуальных системах. Продукционные системы 27.86 KB
  Лекция 5: Представление знаний в интеллектуальных системах часть 2 Продукционные системы Компоненты продукционных систем Стратегии решений организации поиска Логический подход Представление простых фактов в логических системах Примеры применени
12987. Планирование задач в интеллектуальных системах 48.76 KB
  Лекция 6: Планирование задач Основные определения Комплексная схема нечеткого планирования Особенности планирования целенаправленных действий Оценка сложности задачи планирования Литература Основные определения Функционирование многих ИС носит це...