5. Контрольні запитання.

1. Розкажіть про переваги ТЕНів, порівнюючи їх з відкритими нагрівачами.

2. По яких параметрах вибирають ТЕНи ?

3. Якими властивостями повинен володіти матеріал наповнювача? Які матеріали використовуються як наповнювачі ТЕНів?

4. Від чого залежить питома потужність ТЕНа?

5. Для чого на трубку ТЕНів опалювальних калориферів наносять пластинчаті ребра?

6. При якому мінімальному опорі ізоляції ТЕН можна вмикати в мережу?

7. Чому при включенні водонагрівача без води ТЕНи виходять з ладу?

Лабораторна робота №2

Тема: Дослідження термоелектричного охолоджувача повітря.

Мета: вивчення принципу роботи термоелектричних приладів.

Обсяг роботи: 1.1. Дослідити залежність різниці температур гарячого і холодного спаїв термобатареї від протікаючого через неї струму;

1.2. Дослідити залежність теплопродуктивності і холодопродуктивності термобатареї від підведеної електричної потужності.

2.Короткі теоретичні відомості

2.1. Термоелектричні ефекти.

В основі термоелектричного метода лежать термоелектричні явища, які зазвичай співіснують і обумовлені існуванням взаємозв'язку між тепловими і електричними процесами в провідниках і напівпровідниках. Під термоелектричними явищами розуміють три термоелектричні ефекти - Зеєбека, Пельтьє і Томсона, зв'язаних з процесом переносу теплоти між місцями контакту (спаями) в провідниках і напівпровідниках.

Ефект Зеєбека заклечається в наступному. Якщо скласти електричний ланцюг (термоелемент) з двох різнорідних провідників і місця контактів утримувати при різних температурах, то на вільних кінцях з'явиться термоелектрорушійна сила або термо-ЕРС (рис. 1,а). В ланцюгу, замкнутому на мілівольтметр, можна виявити електричний струм, який буде протікати доти, доки температура спаїв буде різною.

Термо-ЕРС, В:

(1)

де e - коефіцієнт Зеєбека, В/К;

Т₂ і Т₁ - температури гарячого і холодного спаїв.

І

Е

Т₂

G

(а) (б)

Рис. 1. Термоелектричне явище Зеєбека (а) і Пельтьє (б)

Явище Зеєбека обумовлено тим, що середня енергія електронів, які приймають участь у процесі переносу струму, в усіх провідниках залежить від температури, але в неподібних матеріалах по різному. Електрони в гарячому спаї отримують більш високі швидкості і прямують до холодного спаю, на якому буде накопичуватися від'ємний заряд. Цей процес буде продовжуватися доти, доки виникла таким чином термо-ЕРС не вирівняє термодифузію електронів.

Явище Зеєбека широко використовують в термометрії - в будь якій термопарі відбувається безпосереднє перетворення теплової енергії в електричну. Відмітимо, що коефіцієнт е для більшості металів невеликий і не перевищує декількох мікровольт на градус. На відміну від металів коефіцієнт е у напівпровідників значно більший і складає сотні мікровольт на градус.

Ефект Пельтьє представляє собою явище, обернене явищу Зеєбека. Якщо через електричний ланцюг, складений із різних матеріалів, пропускати електричний струм, то в залежності від його напрямку в доповнені до теплоти Джоуля-Ленца на одному із контактів виділяється теплота, а на другому вона поглинається, тобто відбувається нагрівання та охолодження (рис. 2,а). Явище Пельтьє можна пояснити наступним чином. Так як в різних провідниках середня енергія електронів, які приймають участь в переносі електричного струму, неоднакова, електрони при переході з одного провідника в другий або поповнюють свою енергію, віднімаючи її в місці контакту у атомів провідника, в який вони переходять, або, навпаки передають цім атомам надлишки енергії. В першому випадку теплота Пельтьє поглинається, а в другому виділяється. Особливо сильно ефект Пельтьє проявляється в системах, які складаються з напівпровідників з електронно-дірковою провідністю. При цьому якщо електричний струм направлений від діркового напівпровідника к електронному, то теплова енергія в контакті виділяється. Коли рух навпаки, теплова енергія поглинається.

Теплота Пельтьє, Вт:

, (2)

де К_п - коефіцієнт Пельтьє, В;

І - сила струму в ланцюгу термоелемента, А.

Між коефіцієнтами Пельтьє і Зеєбека існує зв'язок:

, (3)

де Т – температура спаю, К.

Ефект Томсона заклечається в тому, що при проходженні електричного струму по однорідному провіднику, в якому є перепад температур, до теплоти Джоуля-Ленца додатково виділяється або поглинається з неї деяка кількість теплоти (теплота Томсона), Вт:

, (4)

де К_т – коефіцієнт Томсона, В/К;

Т₁ і Т₂ – температура на різних ділянках провідника, К.

Ефект Томсона пояснюється тим, що на більш нагрітій ділянці провідника середня енергія носіїв струму більша, ніж на менш нагрітих. Якщо носії струму преміюються в напрямку зменшення температури, то надлишок енергії віддають кристалічні й решітці і виділяється теплота. Якщо носії струму рухаються в протилежному напрямку, то вони поповнюють свою енергію за рахунок енергії кристалічної рештки і теплота поглинається.