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

71067. Основы работы с MathCAD 141 KB
  Mathcad работает с документами. С точки зрения пользователя, документ - это чистый лист бумаги, на котором можно размещать области трех основных типов: математические выражения, текстовые фрагменты и графические области. Математические выражения К основным элементам математических выражений Mathcad относятся типы данных, операторы, функции и управляющие структуры.
71068. Численное интегрирование и дифференцирование 150 KB
  Дело в том что для большого числа элементарных функций первообразные уже не выражаются через элементарные функции в результате чего нельзя вычислить определенный интеграл с помощью формулы Ньютона-Лейбница. Особенно важны формулы приближенного интегрирования при решении задач содержащих функции заданные таблично.
71069. Решение дифференциальных уравнений в частных производных 276.5 KB
  В этом случае решаемые уравнения содержат частные производные и называются дифференциальными уравнениями в частных производных. Такие разностные уравнения записывают для всех узлов сетки и получают в результате систему из n уравнений с nнеизвестными. Гиперболические уравнения в частных производных...
71071. Вивчення конструкції реле серії РН – 50 та перевірка роботи реле 625.5 KB
  Мета: Ознайомитись з конструкцією, технічними даними та принципом роботи реле РН – 50. Обладнання: Лабораторний стенд для перевірки параметрів реле: РН – 50. Знати: Призначення релейного захисту. Класифікацію реле напруги. Будову та використання. Вміти: Підключати реле. Регулювати уставку спрацювання...
71073. Введение в технологию синтеза полимеров. Научные основы получения полимеров с заданными свойствами 1018.18 KB
  По происхождению полимеры делятся на три группы: природные искусственные и синтетические. Искусственные полимеры получают путём обработки природных полимеров при их выделении очистке модификации при этом структура основных цепей остаётся неизменной. Синтетические полимеры получают в результате синтеза из низкомолекулярных веществ.
71074. Исследование ЭМП в условиях мегаполиса 126.58 KB
  При этом на территории занимаемой передающими устройствами не допускается размещение жилых и общественных зданий а на примыкающей к ней территории устанавливаются санитарно-защитные зоны и зоны ограничения застройки. Внешняя граница санитарно-защитной зоны определяется на высоте 2 м от поверхности земли по ПДУ ЭМП...
71075. Создание связей между таблицами 1.17 MB
  Если все сведения поместить в одной таблице, то она станет очень неудобной для работы. В ней начнутся повторы данных. Всякий раз, когда сотрудник Иванов будет работать с какой-либо фирмой, придется прописывать данные о сотруднике и клиенте заново, в результате чего можно допустить множество ошибок.