Описание экспериментальной установки. Рис. 11.4. Экспериментальная установка. p n

 

Рис. 11.4. Экспериментальная установка.

p

n

+

_

UТП

С

Д

L

K

A

B

IH

IH

UH

I

E

I

Устройство для исследования эффекта Пельтье и проверки соотношения Томсона схематически изображено на рис.11.4.

Геометрические размеры и термоэлектрические характеристики p и n-ветвей термопары таковы, что оптимальный ток этого охлаждающего устройства составляет I_опт ~3÷ 5 А. Тогда при пропускании тока I ≈ 0, 5÷ 1А через термоэлемент количества тепла Джоуля, выделяемого в спае (см. график рис.11.2) будет значительно меньше тепла Пельтье, и Джоулевым теплом можно пренебречь. То есть при

 

. (11.8)

 

Тогда формула (11.3) будет иметь вид

 

. (11.9)

 

При пропускании через термоэлемент тока, соответствующего условию (11.8), направление которого соответствует охлаждению верхнего спая устройства, будем одновременно подогревать этот спай внешним нагревателем известной мощности (позиция 7 на рис.11.4) до устранения разницы температуры между верхним спаем и радиатором. В этом случае количество тепла, выделяемое этим нагревателем в единицу времени, полностью поглощается теплом Пельтье и они равны между собой. Пусть мощность нагревателя Q_Н. Её можно найти как произведение протекающего через нагреватель тока I_Н и напряжения на нём U_Н

 

. (11.10)

Тогда

или . (11.11)

 

Откуда коэффициент Пельтье может быть вычислен по формуле

 

. (11.12)

 

Контроль отсутствия разницы температуры на спае 3 и радиаторе 6 (см. рис.11.1) осуществляется по отсутствию электрического сигнала на клеммах С, Д, медь-константановой дифференциальной термопары 8 к которым подключен гальванометр или микровольтметр.

Измерение коэффициента термоэдс (Зеебека) проводится при отключенном токе термоэлемента I =0 (клеммы А и В отключить от источника питания). Делается это так.

Нагревателем 7 подогревают (теперь уже не охлаждаемый) спай 3 примерно с той же мощностью, что и при компенсации тепла Пельтье. При этом измеряют напряжение U_ТП на клеммах С, Д медь-константановой дифференциальной термопары 8 после того, как температура установится (U_ТП практически перестает изменяться). Вычисляют разность температур Δ Т на спаях термоэлемента

, (11.13)

 

где β ≈ 3, 7 ·10^-5В/град – чувствительность медь-константановой термопары.

Затем измеряют термоэдс p-ветви ε _p на клеммах А, Е и термоэдс n-ветви ε _n на клеммах В, Е. Вычисляют

(11.14)

и

, 11.15)

а затем

. (11.16)

 

Опыт следует проводить несколько раз для разных мощностей внешнего нагревателя. После этих измерений можно проверить соотношение Томсона (11.7), в котором Т – есть температура спая при определении коэффициента Пельтье, то есть комнатная температура по шкале Кельвина, и оценить степень погрешности экспериментальной проверки соотношения (11.7)

 

. (11.17)