39225

Изучение эффекта Пельтье

Контрольная

Физика

При прохождении тока в цепи состоящей из различных проводников в местах контакта в дополнение к теплоте ДжоуляЛенца выделяется или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество тепла теплота Пельтье пропорциональное прошедшему через контакт электрическому заряду. В переносе тока будут участвовать электроны в узкой полосе размытия 2kT вблизи уровня Ферми. При противоположном направлении тока электроны переходя в полупроводник поглощают энергию охлаждая контакт. При пропускании тока в прямом направлении от p...

Русский

2013-10-01

259 KB

10 чел.

Работа 6

Изучение эффекта Пельтье.

Теоретическое введение.

§ 1. Эффект Пельтье.

  1.  При прохождении тока в цепи, состоящей из различных проводников, в местах контакта в дополнение к теплоте Джоуля-Ленца выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество тепла (теплота Пельтье), пропорциональное прошедшему через контакт электрическому заряду. Это явление было обнаружено  в 1834 г. Ж. Пельтье.

Основная закономерность эффекта записывается:  (1.1)

-где П12коэффициент Пельтье, зависящий от выбора пары проводников.

  1.  У. Томсоном, создавшим термодинамическую теорию термодинамических явлений было доказано, что:  (1.2)

§ 2. Механизмы явления Пельтье.

1. При объяснении эффекта Пельтье необходимо учитывать поток энергии  (2.3),  связанный с движением электронов.

При переходе через границу двух проводников будет выделяется или поглощается энергия  (2.4)

В выражениях (2.3) и (2.4): к*средняя кинетическая энергия электронов, участвующих в электрическом токе. Величина к* не равна средней кинетической энергии  равновесного состояния электронного газа, т.к. не все электроны в равной мере участвуют в электрическом токе. Так, например, в проводимости металла участвуют лишь электроны, размещающиеся вблизи уровня Ферми.

Величина (1-2) в уравнении (2.4) равна внутренней контактной разности потенциалов, между контактирующими веществами.

  1.  

На контакте двух металлов при Т=0, квантовые состояния ниже уровня Ферми заняты  и  в токе могут участвовать электроны на уровне Ферми. Поэтому к2*=2; к1*=к*. Вместе с тем: е(1-2)=1-2.

Поэтому формула (2.4) дает:

При нагревании , когда Т0 оба слагаемых в квадратной скобке уже не компенсируют друг друга и коэффициент Пельтье будет отличен от нуля. В переносе тока будут участвовать электроны, в узкой полосе размытия 2kT вблизи уровня Ферми. Средняя энергия * таких электронов в металле 1 (рис.2.1) к1* будет больше, чем к2* в металле 2. При движении электронов из металла 1 в металл 2 будет выделяться избыток энергии в виде тепла Пельтье. При обратном движении электронов тепло Пельтье будет поглощаться.

3. Эффект Пельтье на контакте металла и полупроводника n-типа качественно можно объяснить на основе зонной схемы (рис. 2.2). Из рисунка видно, что каждый электрон при переходе из полупроводника n-типа в металл переносит избыточную энергию Е=n+n.

Эта энергия выделяется в форме теплоты вблизи контакта. При противоположном направлении тока электроны, переходя в полупроводник, поглощают энергию, охлаждая контакт.

  1.  

На контакте полупроводников p и n типа возникает запорный слой (ЗС) в области p-n перехода (рис. 2.3а). При пропускании тока в прямом направлении (от p к n) дырки и электроны, двигаясь навстречу навстречу рекомбинируют, выделяя при этом энергию. (рис. 2.3.б). При обратном направлении тока от n к p (рис. 2.3.в) запорный слой возрастает по ширине и обедняется основными носителями. Рождение пар электрон-дырка в области запорного слоя происходит за счет энергии кристаллической решетки, что обуславливает поглощение энергии.

Практическая часть.

Методы измерения коэффициента Пельтье.

  1.  

Схема установки представлена на рисунке.

При пропускании электрического тока по термопаре, составленной из проводников а и в на одном спае выделяется теплота Пельтье, а на другом- поглощается. Вследствие этого между медными цилиндрами 1 и 2 (диаметр 10 мм, длина 15 мм) возникает разность температур, измеряемая термопарой (медь-константан).

Ток через термопару ав создается источником ИП1(В-24) с регулятором выходного выходного напряжения. Сопротивление R1 позволяет осуществлять дополнительную регулировку тока через термопару ав, измеряемого амперметром А1. Ключ К0 предназначен для изменения направления тока через термопару. Ключ К1 в позиции 1 отключает термопару. В этой позиции можно осуществлять установку тока. В позиции 2 ключ К1 подключает исследуемую термопару.

Температура цилиндров и разность температур между ними измеряется термопарами, термоэдс которых измеряется либо электронным микровольтметром, либо другим прибором, показания которого пропорциональны напряжению.

Компенсацию охлаждения одного из цилиндров, либо нагрев можно осуществлять с помощью нагревательных элементов. Спирали этих элементов намотаны на медные цилиндры. Питание элементов производится от источника ИП2 (В-24). Сопротивлением R2 и регулятором выходного напряжения ИП2 изменяется мощность нагревательного элемента (печь). Эта мощность измеряется по силе тока (амперметр А2) и по напряжению (вольтметр V): PП=IПUП. Ключ К2 подключает к ИП2 один из нагревательных элементов. Ключ К3 выполняет аналогичную функцию с К1, т.е. в позиции 1 можно осуществлять установку тока при отключенном нагревательном элементе.

Определение какой из спаев исследуемой термопары ав нагревается производится по знаку термоэдс измерительной термопары- «горячий» конец константана имеет отрицаетльный потенциал.

Для уменьшения тепловых потерь медные цилиндрики окружены теплоизолирующей оболочкой из пенопласта.

Схема для измерения температур с помощью переключения ключей К5 и К6 позволяет измерять 10); Т20 и Т=Т12 (где Т0- температура в помещении).

Существует несколько методов исследования эффекта Пельтье.

  1.  Первый метод основан на исследовании зависимости возникающей стационарной разности температур от силы тока, через спай (спаи).

а) Основное уравнение на основе закона сохранения энергии для установившейся, стационарной разности температур для «горячего» спая:  (1) для «холодного» слоя: (2)

Вычитая, получим .

Т.к.  и , то  (3)

и измеряемая ТГX выразится (4)

Используя аппроксимацию измеренной ТГX как функцию от силы тока

, находится .

Исследовав кривую охлаждения   (см. работа 4, §2), можно определить .

Зная и , расчитывается коэффициент Пельтье.

б) Можно исследовать зависимость установившейся температуры одной из спаев от силы тока. Из уравнений (1) и (2) следует, что

(5);  (6)

Зависимости (5) и (6) представлены на рисунке. Определение коэффициента Пельтье по этим зависимостям осуществляется также, как и в п.2а.

Заметим, что исследования зависимости  важно при конструировании термохолодильников на эффекте Пельтье.

Коэффициент можно измерить, проведя отдельный эксперимент с нагревательными печами. Если температура не меняется при включенной печи, то  и .

  1.  Второй подход основывается на пропускании тока в течении некоторого промежутка времени, значительно меньшего времени установления равновесного состояния.

На основании закона сохранения энергии записываем

для «горячего» спая: (7)

для «холодного» спая:  (8).

Вычитая, получаем

(9).

Здесь:

- время пропускания тока;

R- сопротивление спаев;

С- теплоемкость нагреваемой и охлаждаемой частей; по симметрии полагается .

Величина .

Для исключения  необходимо повести опыт при двух направлениях тока. Тогда из двух уравнений (9) получим. (10)

В дальнейшем возможны 2 варианта. В первом варианте с учетом теплоизоляционной оболочки пренебрегают членом  и используют значения теплоемкости С. Тогда. (11)

Во втором варианте экспериментально определяют правую часть выражения 10, используя вмонтированные нагревательные элементы.

Если через нагревательный элемент пропустить ток IП при напряжении UП в течение времени П и пронаблюдать наибольшее значение возникшей разности температур Т, полагая, что РТ получим.

Тогда. и  (12)

Более точно правая часть уравнения 10 может быть найдена исследованием зависимости Т от времени нагрева П. По графику определяют П и П соответствующие Ти Т.

Тогда. и  (13).

  1.  В третьем подходе используется методика компенсации тепловых потерь нагревательным элементом. В уравнении (3)

для определения правой части используют подогрев «холодного» спая. Изменяя мощность нагревательного элемента исследуют зависимость  от мощности нагревательного элемента. По точке инверсии  находят РП.

Тогда,  (14)

Изменив направление тока, меняют местами «холодный» и «горячий» спай и повторяют процедуру найдя РП.

(15)

Складывая уравнения 14 и 15 получим.

;  (16)

Упражнение 1: Исследование зависимости температур между спаями от направления и силы тока

Объектом исследования является медь-константановая термопара.

Примем положительное направление тока когда ток идет от меди к константану в образце 1 и отрицательным- когда в образце 2. При пропускании тока устанавливаются температуры образцов Т1 и Т2. Термопарами измеряют Т10 и Т20, где Т0- температура окружающей среды, и Т12. Знак термоэдс свидетельствует о знаке Т-Т0 и Т= Т12 (см. рис.)

На панели у гнезд подключения прибора, измеряющего термоэдс, проставлены «М», «К», «М1» и «М2». Это позволяет определить знак Т-Т0 и Т= Т12.

Величины Т10, Т20, Т= Т1 ключ К1 2 определяются , ; , где =41 мкв/К. Следует заметить, что в дальнейшем значения температур можно выражать в значениях Т или в делениях шкалы прибора используемого для измерения температур.

В данном упражнении исследуются зависимости Т10, Т20, Т= Т12 от силы тока при различных напряжениях тока.

Величина тока должна изменяться от 0 до 1,5 А.

Порядок выполнения работы.

  1.  Ключ К0 поставьте в позицию «от 1 к 2», а ключ К1 в позицию «уст. тока». Установите значение тока, используя R1 и регулятор выходного напряжения ИП1.
  2.  Ключ К1 переведите в положение «к образцу». Ключ К6 установите в положение измерения Т= Т12. Дождитесь пока показания Т не будут изменяться.
  3.  Измерьте Т; Т1; Т2 и занесите результаты измерения в таблицу 1.
  4.  Проведите измерения при других значениях токов.

Таблица 1

Направление тока

J

T

T1

T2

T1-T2

T1-T0

T2-T0

  1.  Переключите направление тока в позицию «от 2 к 1».

Повторите измерения согласно п. 2-4, занося результаты в таблицу 2.

Таблица 2

Направление тока

J

T

T1

T2

T1-T2

T1-T0

T2-T0

  1.  По результатам измерений и расчета Т10, Т20 и  Т12 постройте графики зависимостей этих величин от силы тока для каждого направления
  2.  Сделайте выводы.

а) На контакте выделяется энергия, если ток идет от __________ к _________.

б) Максимальное охлаждение «холодного» спая наблюдается при силе тока.

I+(макс. охлаждения)=

I-(макс. охлаждения)=

  1.  Найдите апроксимационные функции, используя компьютер.

Т1-Т2=0I+0I2=

Т1-Т0=1I+1I2=

Т2-Т0=2I+2I2=

В соответствии с теорией (см. 4, 5, 6 п.2а)       .

Найдите     

  1.  Определение коэффициента тепловых потерь.

а) Оцените ориентировочное значение мощности нагревателя.

 мВт, где I=Imax тока в термопаре.

б) Включите ключ К3 в позицию 1 (уст. Р) и установите значение

.

в) Подключите к питанию нагревательный элемент образца 1 (ключ К2 в позиции 1), а ключ К3 в позицию «нагр.». Измеряя Т10, дождитесь того момента, когда Т1 не будет меняться. Занесите значения IП, UП, Т1 в таблицу 3.

г) Проведите несколько измерений в диапазоне тех значений, которые получились в таблицах 1 и 2.

Таблица 3

Jп

Uп

Pп=JпUп

T1

T1-T0

ср

i

ср

  1.  Рассчитайте коэффициент Пельтье и погрешность, занеся результаты в таблицу

(П/)ср

ср

П

П/П

П

Упражнение 2. Определение коэффициента Пельтье методом импульсного пропускания тока.

Перед выполнением упражнения необходимо познакомиться с введением к упражнению 1.

В соответствии с формулой 12 (п.3)

.

Анализ формулы позволяет выявить достоинства метода.

Отношение  может быть измерено с использованием не только микровольтметра, но и другим прибором, например, гальванометром, показания которого пропорциональны Т.

Так как в формулу входит I, то это позволяет подбирать вызывающие показания прибора Т удобные для наблюдения.

Порядок выполнения работы.

  1.  Ключ К0 поставьте в позицию «от 1 к 2», а ключ К1 поставьте в позицию «установка тока». Установите значение тока через исследуемую термопару 0,5 А, используя R1 и регулятор выходного напряжения в позицию «Т».
  2.  Подберите время пропускания тока, начиная с 10-15 с такое, чтобы наблюдалось близкое к наибольшему отклонению указателя, прибора, измеряющего термоэдс. После каждого измерения дождитесь установления Т0.
  3.  Проверьте для каждой пары I и измерения наибольшего отклонения измерителя температуры при двух направлениях тока. Пары I и подбирайте так, чтобы произведение I  существенно не изменялось. Расчитайте . Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу.

Ток «от 1 к 2»

Ток «от 2 к 1»

J

T

(T/+T//)/J

  1.  а) Оцените количество теплоты, которое должен сообщить нагревательный элемент.

Q=410I мДж (Q=4TI)

Оцените возможные значения мощности нагревательного элемента

РП=IU=Q,/П , выбрав возможные для измерения значения времени импульса ,П.

б) Установите ключ К3 в позицию «устан. Р». Подберите такие значения IП  и UП, которые соответствуют расчетным значениям PП.

Ключом К2 подключите нагревательный элемент образца 1. Сделайте пробное измерение для чего ключ К3 переведите в позицию 2 «к печи» на выбранное время П и пронаблюдайте наибольшее значение показания измерителя ТП. При необходимости уточните либо П, либо РП=IПUП.

в) Проведите измерения ТП при различных сочетаниях (IПUП) и ,П.

Заметим, что в этих сочетаниях IПUПП меняется несущественно.

Jп

Uп

п

Тп

  1.  Рассчитайте.

.

  1.  Найдите П/П и затем П.

8


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58875. Таблиця ділення на 9 52.5 KB
  Ілюстрації зимуючих птахів; картки для усного рахунку; памятки про збереження і охорону природи; диференційовані завдання. Горобчик нам приніс завдання: перевірити домашнє завдання. ІІ Перевірка домашнього завдання.
58876. Повышение эффективности внешнеторговой деятельности ОАО «Брестский завод бытовой химии» 1.09 MB
  Цель работы заключается в исследовании современного состояния и перспектив развития внешней торговли Республики Беларусь, регулирования внешнеэкономической деятельности субъектов хозяйствования в республике, то есть внешнего окружения, в котором предприятию приходится функционировать
58877. Задачі на знаходження суми і остачі. Вправи на засвоєння таблиць додавання і віднімання. Розпізнавання геометричних фігур 66 KB
  Мета уроку: вчити складати і розв’язувати задачі на знаходження суми і остачі, формувати обчислювальні навички додавання і віднімання чисел, вправляти в засвоєнні табличних випадків додавання і віднімання чисел...
58881. Спостереження за основними ознаками речення 62 KB
  Уміти складати речення і правильно вимовляти їх. Тож на цьому уроці ми будемо вчитися будувати речення пригадаємо які бувають види речень коли який знак поставити в кінці речення із якою інтонацією промовляти речення щоб мова наша була більш багатою і виразнішою.
58882. Складносурядне речення, його будова і засоби зв’язку в ньому 33.5 KB
  Передаючи мікрофон по ряду ланцюжком діти дають відповіді на запитання з розділу Синтаксису і Морфології: Що вивчає Синтаксис Яке речення називається простим Яке речення називається складним Які типи складних речень ви знаєте Що таке сполучник...
58883. Словесний портрет літературного героя 55.5 KB
  Мета: Поглибити знання учнів про портрет навчити розрізняти портрет як жанр живопису та літературний опис зовнішності персонажа; розширити портретну лексику учнів; розвивати творчу уяву логічне мислення усне мовлення...