Студопедия Главная Случайная страница Задать вопрос

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Эффект Пельтье





 

Цель работы: 1. Экспериментальная проверка возможности охлаждения спая термоэлектрического элемента.

2. Измерение теплоты Пельтье на спае и вычисление коэффициента Пельтье.

3. Измерение термоэдс термоэлемента и проверка соотношения Томсона.

 

11.1. Краткие теоретические сведения*

 

Суть эффекта Пельтье заключается в том, что при прохождении через контакт двух различных материалов электрического тока помимо Джоулевой теплоты в зависимости от его направления выделяется или поглощается дополнительная теплота – теплота Пельтье. В отличие от Джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направлении тока.

Для количества тепла Пельтье, выделяющегося или поглощающегося в спае в единицу времени (тепловой мощности) можно записать

 

, (11.1)

где I – сила тока,

П – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом Пельтье.

Представим себе устройство, схематически изображенное на рис.11.1, в котором столбик материала первого типа проводимости и материала второго типа проводимости имеют спай, выполненный из медной шины 3. К нижним краям столбиков припаяны проводящие контакты 4, выполненные также из медной шины, и имеющие хороший тепловой контакт через электроизоляционный слой 5 с теплоотводящим радиатором 6.

Пусть QД – мощность Джоулевой теплоты, выделяющейся в спае 3 двух этих материалов (см. рис.11.1).

В соответствии с законом Джоуля-Ленца эта теплота будет пропорциональна квадрату тока в спае

 

, (11.2)

 

где A – некий коэффициент пропорциональности, зависящий от сопротивления спая и сопротивления каждой из двух разнородных ветвей 1 и 2 термоэлектрического элемента, схематически изображенного на рис.11.1.

Тогда при условии, что направление (знак) тока выбрано так, что тепло Пельтье поглощается в данном спае (имеет знак минус), будем иметь следующее выражение для полной тепловой мощности, выделяющейся в этом спае

или

. (11.3)

 

_________________

* Более подробно теорию термоэлектрических явлений смотри в приложении.

Q
O
T0
I
Iопт
T
I
Рис. 11.2. График зависимости тепловой мощности от тока.
p
n
+
_
Рис. 11.1. Термоэлектрический элемент.

График зависимости тепловой мощности Q от тока I дан на рис.11.2., кривая 3. На этом же рисунке даны графики второго (кривая 1) и первого (кривая 2) слагаемого из выражения 11.3 в зависимости от тока.

Значение силы тока, при котором происходит наибольшее поглощение тепла с учетом Джоуля, называют оптимальным током Iопт. При оптимальном значении тока достигается максимальное охлаждение спая, то есть наименьшая его температура Tx.

Таким образом, контакт двух разнородных материалов может служить охлаждающим устройством. Простейшее охлаждающее устройство, применяемое на практике, и показано как раз на рис. 11.1. Данное устройство – термоэлемент, состоит из двух ветвей полупроводниковых материалов разного типа проводимости, приведенных в контакт с помощью медной шины. Использование полупроводников, а не металлов в качестве ветвей термоэлемента связано с тем, что для них, при прочих равных условиях, эффект Пельтье максимален.

p
n
TГ
TX
ε
ε
Рис. 11.3. Контур из двух разнородных проводников.
Другим важным для нас термоэлектрическим явлением является эффект Зеебека. Суть этого эффекта заключается в том, что при наличии разности температур между спаями контура, выполненного из двух различных материалов (см. рис.11.3), в нем возникает электродвижущая сила ε, пропорциональная разности температур горячего Tг и холодного Tx спаев

 

, (11.4)

 

где α – коэффициент Зеебека или, иначе, коэффициент термоэдс.

Обычно коэффициент термоэдс материалов измеряют по отношению к ярко выраженным металлам, например, по отношению к свинцу, коэффициент термоэдс которого считают равным нулю. В этом случае говорят о коэффициенте термоэдс данного материала (вещества). Например, αp - коэффициент термоэдс p-ветви термопары (левой части контура на рис.11.3), а αn - коэффициент термоэдс, соответствующий n-ветви этой термопары. Материалы p-типа проводимости имеют αp>0 положительную термоэдс, а n-типа – отрицательную термоэдс, αn<0. Тогда коэффициент термоэдс термопары равен разности коэффициентов термоэдс ветвей с учетом их знака

. (11.5)

 

Коэффициенты Пельтье и Зеебека связаны между собой соотношением, вытекающим из термодинамической теории термоэлектрических процессов

 

, (11.6)

 

где T – температура исследуемого спая.

 






Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 234. Нарушение авторских прав

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.023 сек.) русская версия | украинская версия