лаба 1.5

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Институт Энергетики

Высшая школа атомной и тепловой энергетики

Лабораторная работа № 1.5

«Изучение эффекта Пельтье»

Студенты гр. 3231401/20001 Школьников А.С.

Сирош С.А.

Преподаватель Павлов А. В

Введение

1. Цель работы

Ознакомиться с принципом действия элемента Пельтье. Выявить закономерности величины силы тока, подаваемой на элемент и полярности его подключения.

2. Теория

Элемент Пельтье – термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого основан на эффекте Пельтье: выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока в месте контакта двух разнородных проводников. Эффект открыл Ж. Ш. Пельтье в 1834 году, суть явления описал Э. Х. Ленц в 1838 году.

Явление Пельтье заключается в том, что в месте контакта двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создает внутреннее контактное электрическое поле. Если через контакт идет ток, то данное поле будет либо способствовать его прохождению, либо препятствовать ему. Если ток идет против электрического поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая будет выделяться на контакте в виде теплоты, и контакт нагреется. Если ток идет по направлению поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, и контакт охлаждается.

Теплота и ее знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы электрического тока. При пропускании тока энергия источника расходуется не только на создание теплоты Пельтье, но и на рассеяние теплоты :

где П – коэффициент Пельтье, мВ.

Количество теплоты можно оценить по закону Джоуля-Ленца. Следовательно, в горячей части будет выделяться теплота , а в холодной части поглощаться теплота, .

При тепловом равновесии в теплоизолированной системе установившаяся разность температур в половинах модуля Пельтье будет определяться только теплотой Пельтье , так как потери теплоты в обеих частях модуля Пельтье одинаковы. Следовательно,

Для увеличения эффекта отдельные термопары (спаи двух разнородных полупроводников) собирают в модули, состоящие из десятков и сотен элементов. На рис. 1.22 приведена упрощенная схема модульного элемента Пельтье. Современные модули представляют собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. Эффект Пельтье наиболее заметен у полупроводников. Каждая из сторон модуля контактирует либо с p–n, либо с n–p-переходами. Контакты p–n нагреваются, n–p – охлаждаются (см. рис. 1.22). Возникает разность температур на сторонах элемента. Изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхностей. Модули Пельтье нашли широкое применение в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Они применяются для охлаждения инфракрасных детекторов в телескопах, активных элементов лазеров для стабилизации частоты излучения, кварцевых генераторов в системах точного времени.

Рисунок 1 – Устройство модульного элемента Пельтье:

1 – контакты для подключения к источнику питания; 2, 3 – горячая и холодная поверхности элемента, соответственно; 4 – медные проводники; 5, 6 – полупроводники на основе p-перехода и n-перехода, соответственно

Описание установки

а)

б)

Рисунок 2 – Экспериментальная установка:

а – общий вид; б – принципиальная схема: 1 – тумблер «Питание стенда»; 2 – индикатор наличия напряжения; 3 – калибратор температуры (мини-холодильник на элементах Пельтье); 4 – блок управления мини-холодильником; 5 – измеритель-регулятор ТРМ 202; 6 – блок Пельтье; 7 – переключатель полярности тока; 8 – диммер

Результаты эксперимента

Таблица 1

Показания при «положительной» полярности тока

№	I, А	t, °С	Т, К	П, В	, Вт	, Вт
1	0,5	33,4	306,4	1,3022	0,6511	0,015
2	1,0	45	318	1,3515	1,3515	0,016
3	1,5	56	329	1,39825	2,0967	0,018
4	2,0	69	342	1,4535	2,907	0,019
5	2,5	81	354	1,5045	3,761	0,021

Таблица 2

Показания при «отрицательной» полярности тока

№	I, А	t, °С	Т, К	П, В	, Вт	, Вт
1	0,5	25	298	1,266500	0,63325	0,014
2	1,0	22	295	1,253750	1,25375	0,015
3	1,5	19,7	292,7	1,243975	1,86596	0,016
4	2,0	17,5	290,5	1,234625	2,46925	0,017
5	2,5	15,5	288,5	1,226125	3,06531	0,018

Обработка результатов

1. Расчет коэффициента Пельтье

Расчет коэффициента Пельтье производится по формуле:

, мВ

где – коэффициент термоЭДС для полупроводников, Т – абсолютная температура, К.

Полученные результаты заносим в таблицы 1 и 2.

2. Расчет количества выделенной (поглощенной) теплоты

Расчет количества выделенной ( ) и поглощенной ( ) теплоты определяется по единой зависимости:

, Вт

где I – сила тока, А.

Полученные результаты для заносим в таблицу 1, для – в таблицу 2.

Рисунок 3 – График зависимости количества выделенной теплоты ( ) от силы тока (I)

Рисунок 4 – График зависимости количества поглощенной теплоты ( ) от силы тока (I)

3. Оценка неопределенности расчета коэффициента Пельтье и стандартной неопределенности расчета теплоты

Расчет неопределенности коэффициента Пельтье производится по формуле:

(1)

где = 10 мкВ – неопределенность коэффициента термоЭДС, = 0,5 К – неопределенность измерения абсолютной температуры.

Рассчитаем неопределенность по формуле (1) и полученные значения занесем в таблицу 3.

Таблица 3

Расчет неопределенности коэффициента Пельтье

№ опыта	при «положительной» полярности тока, мВ	при «отрицательной» полярности тока, мВ
1	3,72	3,66
2	3,82	3,63
3	3,91	3,61
4	4,02	3,6
5	4,12	3,58

Стандартная неопределенность расчета теплоты вычисляется по формуле:

(2)

где – неопределенность измерения силы тока, которая определяется по формуле расчета неопределенности по типу В как для цифрового прибора:

(3)

где – неопределенность отсчета измеряемой величины , %; – неопределенность полного диапазона измерений , %.

Неопределенность измерений, выполненных цифровым прибором, зависит от разрядности прибора – количества цифр на его экране. Максимальное значение, которое может отобразить измеритель–регулятор – 999, значит, прибор трехразрядный. Тогда неопределенность его измерений:

Согласно паспорту измерителя-регулятора ТРМ 202 относительная неопределенность измерения силы тока составляет = 0,5 %, а полный диапазон измерения силы тока М = 3,8 А.

Воспользуясь формулой (3), рассчитаем неопределенность для каждого значения силы тока. Полученные значения занесем в таблицу 4.

Таблица 4

Неопределенность измерения силы тока

Сила тока, I, А	, мА
0,5	11,26
1	11,55
1,5	11,84
2,0	12,12
2,5	12,41

По формуле (2) произведем расчет стандартной неопределенности количества теплоты и занесем полученные значения в таблицы 1 и 2.

Вывод

Результаты эксперимента показали, что от полярности подключения элемента Пельтье зависит то, какая сторона будет охлаждаться, а какая нагреваться. При этом при одинаковой силе тока получились близкие значения для количества выделенной теплоты (при «положительном» подключении) и количества поглощенной теплоты (при «отрицательном» подключении). Также выявлена зависимость между величиной силы тока и температурой блока Пельтье: чем больше сила тока, тем больше разница температур.

Санкт – Петербург

2022