WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДАЮ Декан ЕНМФ Ю.И. Тюрин 2008 ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ

Декан ЕНМФ

Ю.И. Тюрин

2008 г.

« »

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Методические указания к выполнению лабораторной работы Э–14а

по курсу общей физики

для студентов всех специальностей Томск 2008 УДК 53.076 Термоэлектрический эффект: Методические указания к выполнению лабораторной работы Э–14а по курсу общей физики для студентов всех специальностей. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 15 с.

Составители: доц., канд. физ.-мат. наук К.Б.Коротченко, Рецензент: доц., канд. физ.-мат. наук Н.С. Кравченко Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры теоретической и экспериментальной физики 20.05.2007 г.

Зав. кафедрой проф., д. ф.-м. наук В.Ф. Пичугин Одобрено учебно-методической комиссией кафедры ЕНМФ.

Председатель учебно-методической комиссии Г.Ф. Ерофеева ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Э-14а

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Цель работы: знакомство с эффектами прямого и обратного термоэлектрического эффекта.

Работа содержит два самостоятельных упражнения:

1. Изучение прямого термоэлектрического эффекта – эффекта Зеебека – возникновение термоэдс в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

2. Изучение обратного термоэлектрического эффекта – эффекта Пельтье – выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников.

Приборы и принадлежности:

• 2 (два) милливольтметра для измерения термоэдс (в мВ) • 2 (два) милливольтметра для измерения температуры (в oC) • 2 (две) термопары «хромель – алюмель»

• 2 (две) термопары «хромель – копель»

• таблица зависимости ЭДС от разности температур «холодного» и «горячего» спаев для эталонных термопар «хромель - алюмель»

• термостат для термопар

• печь для нагревания термопар

• модуль Пельтье, состоящий из 127 полупроводниковых термоэлементов

• источник питания для модуля Пельтье.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Эффект Зеебека Эффект был обнаружен немецким физиком Томасом Зеебеком (Thomas Johann Seebeck) в 1821.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников (или полупроводников) А и B, возникает термоэдс, если места контак

–  –  –

Возникновение эффекта Зеебека происходит за счет явлений, возникающих в узкой приконтактной области разнородных проводников (полупроводников), и вызвано несколькими составляющими:

1. Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах.

Если вдоль каждого проводника термопары существует градиент температур, то электроны на горячих концах приобретают более высокие энергии (и, соответственно, скорости), чем на холодных (в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой).

В результате, в каждом проводнике (полупроводнике), возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце появляется отрицательный потенциал, а на горячем – положительный.

Процесс происходит в каждом из проводников (полупроводников) термопары и продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов U (на концах каждого из проводников или полупроводников) не вызовет поток электронов, равный первичному в обратном направлении (благодаря чему установится равновесие).

Разность потенциалов создает внутри проводника непотенциальное электрическое поле с напряженностью Е = – U/x, локализованное в тонком приконтактном слое толщиной x.

По определению, электродвижущая сила на участке проводника L равна работе сил непотенциального электрического поля по перемещению заряда по этому проводнику = Edl.

r L Термоэдс, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

2. Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов в различных веществах.

Как известно из школьного курса физики, при контакте двух металлов (или полупроводников) возникает контактная разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих твердых тел. При создании контакта уровни Ферми становятся одинаковыми, и возникает разность потенциалов, равная eU = F2 F1, где F – энергия Ферми (напомним, что энергия Ферми – энергия самого высшего заполненного состояния электронов в кристалле), e – заряд электрона.

В контакте тем самым существует электрическое поле с Е = – U/x, локализованное в тонком напряженностью приконтактном слое толщиной x. Это значит, что если составить L замкнутую цепь из двух металлов (имеющих одинаковую температуру) и совершить обход по замкнутому контуру L, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом – против поля.

При одинаковой температуре контактирующих металлов разность потенциалов внутри проводников одинакова U 1 = U 2 E1 = E2 и, следовательно, результирующая работа сил электрического поля (и, соответственно, ЭДС) будет равна нулю = Edl = E1dl E2 dl 0.

rr rr rr L L1 L2 Если температуру одного из контактов изменить, то, поскольку энергия Ферми F зависит от температуры, контактная разность потенциалов U также изменится и, следовательно, работа сил электрического поля Е будет отлична от нуля. То есть, появится ЭДС в замкнутой цепи. Данная ЭДС называется контактной термоэдс.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

3. Фононное увлечение Твердые тела, в которых могут возникать термоэлектрические явления, имеют кристаллическую структуру. Узлы кристаллической решетки, являются реальными физическими объектами, которые хотя и ограничены в движении, но непрерывно совершают колебательные движения (в основном это тепловые колебания). Колебательные движения решетки, с точки зрения квантовой механики, можно моделировать некоторыми частицами, подобными квантам света, но движущимися со скоростью звука. Эти частицы называют фононами.

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой электроны и на холодном конце образца будет возникать отрицательный потенциал (на горячем – положительный). Процесс будет идти до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой третью составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше.

В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами – квазичастицами (как и фонон), моделирующими спиновое взаимодействие узлов кристаллической решетки магнетиков.

Эффект Пельтье Эффект был обнаружен Джоном Пельтье (Jean Peltier) в 1834 году, спустя 13 лет после открытия Зеебека.

–  –  –

где PAB = PB – PA – коэффициент Пельтье для модуля Пельтье, PB и PA – коэффициенты Пельтье для каждого из контактирующих веществ. Заметим, что коэффициенты Пельтье для кремниевых (Si) полупроводников p-типа отрицательны, а для n-типа – положительны.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем:

На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создает внутреннее контактное электрическое поле E (см. описание явления Зеебека). Если через контакт идет ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идет против электрического поля E, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая будет выделяться в контакте, что приведет к его нагреву. Если же ток идет по направлению поля E, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

При пропускании тока, энергия источника расходуется не только на создание тепла Пельтье QAB = PAB Idt но и на рассеяние тепла QДж, (количество этого тепла можно оценить по закону Джоуля-Ленца). Соответственно, в горячей части будет выделяться тепло, равное Q2 = QДж + QAB, а в холодной части Q2 = QДж QAB.

–  –  –

T2 T1 Рис. 3 Будем считать, что модуль Пельтье (рис.4) состоит из N полупроводниковых элементов Пельтье, закрепленных на массивной (по сравнению с полупроводниковыми элементами) Рис. 4 керамической пластине, имеющей коэффициент теплопроводности. Для измерения можно использовать процесс охлаждения модуля. При выравнивании температур горячей и холодной поверхностей керамической пластины, тепло передается из «горячей» половины модуля в «холодную». Если одна из сторон керамической пластины всегда находится при постоянной температуре (близкой к комнатной – эта пластина размещена на радиаторе), то выравнивание идет до момента, когда другая сторона достигает этой комнатной температуры. Элементарное количество тепла Qo, выделяемое при остывании равно Qo = mc dTW.

с – удельная m – масса где керамической пластины, теплоемкость керамики, используемой для изготовления модуля Пельтье, dTW – элементарное изменение температуры «горячей» поверхности керамической пластины. Тогда

–  –  –

Схема установки показана на рис.6.

В состав установки входят 4 термопары двух типов. Две термопары (разного типа) находятся в термостате и еще две – в нагревателе (тех же типов) Каждая пара термопар (одного типа) подключается к своему мультиметру для измерения термоэдс (переключатель на этих мультиметрах устанавливается в положение «V»).

Рис. 6 Термоэлектрический модуль – элемент Пельтье, используемый в работе для изучения эффекта Пельтье, помещен в ячейку. Одна его сторона прижата к массивному алюминиевому радиатору (для рассеивания тепла), чтобы на этой стороне температура была всегда постоянной. Ток на него подается через четырехполюсный переключатель от источника питания. Термопары элемента Пельтье подключаются к гнездам мультиметров, предназначенных для измерения температуры, (переключатель на этих мультиметрах устанавливается в положение «TERM»).

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Изучение явления Зеебека

–  –  –

Порядок измерений

1. Подключите верхние (по рис.6) мультиметры к термопарам (если они не подключены). Переключатель видов измерений на мультиметрах установите на измерение постоянного напряжения – положение «V».

2. Включите (кнопка «Power») верхние мультиметры - для измерения температуры.

3. Включите нагреватель в сеть 220 В.

4. Записывайте значения термоэдс термопар при нагревании в Табл.1:

не менее 5-ти значений в интервале температур от комнатной до 100oC не менее 5-ти значений в интервале температур 100…200oC не менее 5-ти значений в интервале температур 200…300oC.

Предварительно посмотрите в таблице для эталонной термопары, какие величины ЭДС соответствуют этим температурам, чтобы определить нужные пределы мультиметра.

Внимание: измерения следует проводить до значений ЭДС 12 мВ на эталонной термопаре.

5. По результатам измерений постройте для изучаемой термопары график зависимости термоэдс от температуры «горячего» спая = (t ).

Температуру t «горячего» спая термопар можно определить по формуле:

t = t w + tc, где tw – температура «горячего» спая эталонной термопары по таблице, tc – температура «холодного» спая – в эксперименте это комнатная температура.

–  –  –

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПЕЛЬТЬЕ

При изучении явления Пельтье предлагается построить график зависимости (для нескольких значений силы тока) To (8) = kt, ln T (t ) To – разность где температур «горячего» и «холодного» спаев элемента Пельтье, измеренная при максимальном заданном токе; T(t) – разность температур «горячего» и «холодного» спаев элемента Пельтье, измеренная при отключении тока – через достаточно большой промежуток времени (когда «горячий» спай элемента Пельтье остынет).

Керамические пластины модуля Пельтье имеют площадь S = 900 мм2 и do = 0,75 мм.

толщину Удельная теплоемкость материала пластины с = 0,9·10Дж/кгК, масса пластины m = 6 г. В модуле находится N = 127 полупроводниковых элементов. Модуль Пельтье закреплен на массивной металлической пластине и к каждой его стороне («горячей» и «холодной») прикреплены термопары «хромель-алюмель». Термопары соединяются с нижними (по рис.6) мультиметрами, с помощью которых определяются температуры «горячего» и «холодного» спаев элементов Пельтье.

Конструктивно модуль Пельтье сделан таким образом, что одна его поверхность находится при комнатной температуре – модуль плотно прижат через термопроводящую пасту к массивному радиатору.

Для определения разности температур T(t) между «горячим» и «холодным» спаями термопары можно поступить следующим образом:

1) подготовьте источник питания для работы в качестве источника со стабилизацией тока – включите источник питания и поверните ручку, регулирующую напряжение по часовой стрелке почти до упора (примерно на 1 мин)

2) установите ток (первый раз I = 0,4 А) – включите четырехполюсный переключатель в таком направлении, чтобы «горячий» спай элементов Пельтье нагревался

3) запишите в Табл.3 значение температуры two по показаниям нижнего мультиметра, который соединен с термопарой, находящейся на стороне, не прижатой к радиатору (дождитесь стабильных показаний мультиметра)

4) прекратите пропускание тока через модуль Пельтье (установив четырехполюсный переключатель в нейтральное положение)

5) в момент времени t – через промежуток ~ 1 мин – когда температура tw(t) опустится до значения ~ 1.5…2 tc, запишите в Табл.3 эту температуру и величину промежутка времени повторите операции 2 – 5 для значений силы тока: I = 0,6; 0,7 и 6) 0,8 А.

–  –  –

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключаются явления термоэлектричества?

2. Что такое коэффициент теплопроводности, от чего он зависит и в каких единицах измеряется?

3. При измерении температуры предпочтительно выбирать термопару с большим или меньшим коэффициентом теплопроводности?

4. Что такое явление Пельтье?

5. Почему происходит нагревание (охлаждение) спаев термопары при пропускании через них тока?

6. Что такое коэффициент Пельтье и в каких единицах он измеряется?

7. Где используется явление Пельтье?

8. Что такое энергия Ферми?

9. Как величина коэффициента Пельтье зависит от температуры?

10.Почему в полупроводниках эффект Пельтье имеет значительно большую величину, чем в проводниках? Наблюдается ли эффект Пельтье в диэлектриках?

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

–  –  –

Составители: Константин Борисович Коротченко Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага офсетная.

Печать RISO. Усл.печ.л.0,70. Уч.-изд.л. 0,63.

Тираж 100 экз. Заказ №. Цена свободная.

Похожие работы:

«Гофман Ольга Олеговна ЦЕННОСТНО-СМЫСЛОВЫЕ И СИТУАЦИОННЫЕ ДЕТЕРМИНАНТЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ (НА ПРИМЕРЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОФЕССИЙ) 19.00.03 – Психология труда, инженерная психология, эргономика Диссертация на соискание ученой степени кандидата психологических наук Научный...»

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ВНИИСТ УТВЕРЖДАЮ Заместитель директора по научн. части _ К.И. За...»

«УТВЕРЖДАЮ: Начальник службы автоматики и телемеханики _ А.С. Батьканов ""_2007 г. 2.26. СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОФОРАМИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕНТРАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ЭЦ-12-00.1. Основные сведения Электрическая централизация представляет собой (ЭЦ) автоматизированную систему управ...»

«ГОСТ 618-73 Государственный стандарт Союза ССР ФОЛЬГА АЛЮМИНИЕВАЯ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГОСТ 618-73 Издание официальное ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ Москва УДК 669.71-416(083.74...»

«Учредитель: ДЕПАРТАМЕНТ Наука ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ ISSN 15629856. Наука Кубани. КУБАНИ 2009. № 1. 1-88. Выходит 4 раза в год. Журнал основан в январе 1997 года. Заведующий редакцией Science of Kuban В. А. Гусако...»

«Утвержден КНГМ.466519.001РЭ-ЛУ Речевой информатор для оповещения пассажиров с прибывающего электропоезда РИДОП Руководство по эксплуатации КНГМ. 466519.001 РЭ Инв. N подл. Подпись и дата Взамен инв. N Инв. N дубл. Подпись и дата Содержание 1 НАЗНАЧЕНИЕ 2 СОСТАВ ИЗДЕЛИЯ 3 ОСНОВНЫ...»

«ПЕРЕДВИЖНОЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ САМООЧИЩАЮЩИЙСЯ ФИЛЬТР ПМСФ-1 УОПС-00.00.00.ПС Производитель: ЗАО СовПлим, Россия, 195279, Санкт-Петербург, шоссе Революции, д.102, к.2 Тел.: +7 (812) 33-500-33 e-mail: info@sovplym.com http://www.sovplym.ru Ред. №2 от 6.07.12 Стр. № 1 1. НАЗНАЧЕНИЕ Передв...»

«Грейт Истерн, 1858 Самый большой пароход 19 века Изамбард Брунель Джон Рассел, инженер. 1858 год Технические характеристики колесно-парусно-винтового парохода "Great Eastern": Длина 210,4...»

«ПОЛУНИН ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ УДК 697.4; 536.7 ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ НА ОСНОВЕ КОНТАКТНО-РЕКУПЕРАТИВНОЙ ТЕРМОТРАНСФОРМАЦИИ ЭНЕРГИИ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ Специальность 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика Диссертация На соискание...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" М.И. ОЗЕРОВА ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛО...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.