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

38640. Микропроцессорная система GPS трекинга 11.64 MB
  Благодаря наличию тревожной кнопки «SOS» вы всегда сможете оставаться на связи и прийти на помощь человеку в трудный момент. Современные возможности геопозиционирования позволяют определять местоположение прибора с высокой точностью до трех метров независимо от того, насколько далеко он находится. Приобретая такой маячок, вы приобретаете спокойствие за своих родных, близких, сотрудников и имущество.
38641. Варианты планировки и обустройства комнаты проживания в условиях детского дома на примере детского дома №6 г. ТОльятти 23.41 MB
  На сегодняшний день общепринятыми являются два понятия: сирота (сиротство) и социальный сирота (социальное сиротство). Дети-сироты - это дети в возрасте до 18 лет, у которых умерли оба или единственный родитель. Категория «социального сиротства» включает детей, которые имеют биологических родителей, но они по каким-то причинам не занимаются воспитанием ребенка и не заботятся о нем. Во всех этих случаях заботу о ребенке берет на себя государство.
38643. Анализ выявления преимуществ и недостатков в деятельности менеджера по управлению персоналом в Ростовском филиале ОАО «Ростелеком» 368 KB
  1 Сущность цели и принципы системы управления персоналом 1.2 Основные задачи и этапы управления персоналом. В условиях рыночной экономики необходимо постоянно совершенствовать систему организации труда и управления персоналом что бы достигнуть социальноэкономической стабильности в стране. Поэтому актуальность совершенствования методов управления персоналом в организации все более возрастает.
38644. ПОДГОТОВКА СПОРТСМЕНОВ 15-17 ЛЕТ ПО СИЛОВОМУ ТРОЕБОРЬЮ 315 KB
  Упражнения со штангой и тяжестями как эффективное средство развития силовых возможностей привлекают многих молодых людей как мужского и женского пола а также людей среднего и старшего возраста. В силовом троеборье пауэрлифтинге соревнования проходят в трех упражнениях приседании со штангой на спине жиме штанги лежа и становой тяге. Предполагается что повышение силовых способностей юношей 1517 лет занимающихся силовым троеборьем будет проходить более эффективно если применять упражнения в становой тяге основанные на...
38645. Элементы электронного учебно-методического комплекса курса «Популяционная экология» 1.03 MB
  Методики обучения с использованием персонального компьютера позволяют изучать учебный текст в необходимом студенту темпе, т.е. обеспечивают индивидуальное восприятие материала. При этом используется возможность «пошаговой» проработки материала, что особенно важно при различной степени средней базовой подготовленности студентов. Студент, работая на персональном компьютере, может сам наблюдать за процессом усвоения знаний, видеть свои ошибки и оценку своей работы
38646. Анализ финансовых услуг инвестиционных компаний на рынке ценных бумаг 1.17 MB
  Профессиональная и непрофессиональная деятельность инвестиционных компаний на рынке ценных бумаг Универсальный сервис как фактор конкурентоспособности инвестиционных компаний на фондовом рынке Анализ финансовых услуг инвестиционных компаний на рынке...
38647. Совершенствование системы управления персоналом на ООО «Вирма» 3.84 MB
  Понятие и структура персонала предприятия 7 1. Поэтому на каждом предприятии должна разрабатываться и осуществляться кадровая политика которая должна быть направлена на достижение следующих целей: создание здорового и работоспособного коллектива; повышение уровня квалификации работников предприятия; создание трудового коллектива оптимального по половой и возрастной структуре а также по уровню квалификации; создание высокопрофессионального руководящего звена способного гибко реагировать на изменяющиеся обстоятельства...