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

52481. Урок-воспоминание «Дети военной поры» 49 KB
  В бывшем фашистском лагере Равенсбрюк где в ад душегубок и печей отправлялись лишь дети и женщины есть фотография детского сердца. Но дети в ту суровую пору были не только жертвами они становились и воинами Ещё не достигнув совершеннолетия ребята достигали таких высот мужества что оказывались достойными Золотых звёзд героев орденов медалей.Воронов Ученица: Из дневника Миши Тихомирова Из книги Дети военной порыМ.
52483. Тест Кеттелла, дитячий варіант. Адаптований Е.М.Александровською 12ФЛО-120 551.5 KB
  Читаючи питання вибирай ту частину яка підходить тобі більше. Тоді відмічай ту яка підходить тобі більше чи як частіше буває. Коли учитель вибирає іншого хлопчика для роботи яку ти сам хотів зробити тобі стає образливо чи ти швидко про це забуваєш 10. Тобі сподобалося б більше працювати з книгами в бібліотеці чи бути капітаном дальнього плавання 15.
52484. Kreatives Deutsch: Ich kann auch Dichter sein 196.5 KB
  usrьstung:Мusik von Bethoven Portrдte der deutschen Dichter die gedruckten Teile der Gedichte ein Projektor. Durchfьhrung der Stunde Lehrer : Guten Tg liebe Schьler Wir begrьЯen euch sehr herzlich in unserem Gedichtlbortorium Wir mchen jetzt eine interessnte Reise in die Welt der Dichtung und des Reimes. Viel SpЯ lso und gute Erlebnisse Die erste Sttion wird Die lustigen Reime . Lehrer: Sehr schцn hbt ihr ds gemcht Fьr so begbte Dichter wr die ufgbe zu leicht.
52485. Wer wird Millionär 277 KB
  In unserem Sl sind die besten Kenner der deutschen Sprche. Der Lehrer erklärt die Regeln des Spieles gibt den Schülern eine ufgbe um die Teilnehmer zu wählen. Frge: 50 Jeder Spieler ht 3 Joker: 50 50 T – Telefon P – Publikum Frgen zum Spiel I 1. Wie viele Frben gibt es in der Flgge Deutschlnds .
52486. In der Deutschstunde 119.5 KB
  Wie geht’s Seid ihr guter Lune Die Schüler ntworten. L: Wir beginnen mit den Rätselerzählungen die ihr zu Huse geschrieben hbt. Die Schüler hören und rten ws für eine Stunde ds ist. Sch 1: In dieser Stunde turnen wir n den Ringen springen hoch lufen um die Wette spielen Fußbll.
52487. Розв’язування текстових задач, зокрема комбінаторних 43 KB
  Систематизувати й поглибити знання учнів шляхом розв’язування текстових задач, що потребують використання залежностей між величинами; розвивати логічне мислення, культуру математичної мови і записів; виховувати інтерес до математики, взаємодовіру, посилювати міжпредметну інтеграцію
52488. Функції психодіагностики в навчально-виховному процесі 146.5 KB
  Інформація яка буде одержана за допомогою діагностики дасть змогу сформулювати точні уявлення про позашкільні інтереси учнів їхні плани. Влітку перед початком занять я як майбутній класний керівник 5 класу проводжу попередню діагностику учнів класу: непряму – переглядаю особові справи спілкуюся з класоводами цього класу; пряму – відвідую сім’ї моїх майбутніх вихованців. Після чого складається таблиця Початкові відомості про учнів класу. У деяких учнів можуть зміниться навіть взаємини в родині її склад житлові умови та матеріальний...
52489. Розвиток діалогічного мовлення за професійним спрямуванням. (професії «Бармен, офіціант», «Кухар, офіціант») 106.5 KB
  Це може бути відповідь згода заперечення уточнююче запитання прояв солідарності співчуття радості і т.Запитання зустрічне запитання: − Cn you tke nother plce − Just now.Повідомлення – запитання: Tht stek is not tsty .Спонукання запитання або повідомлення: We hve no strwberries tody.