4. Изучение эффекта пельтье

Для уяснения идеи метода обратимся к рис. 2, на котором изображена принципиальная схема установки, используемой в данной работе. Спаи термопары помещены в калориметрические ячейки. Если через термоэлемент, изготовленный из меди и константана, протекает ток I, то в одном из спаев выделится количество тепла

Q₁=Q_Дж+Q_П, (12)

а в другом –

Q₂=Q_ДжQ_П, (13)

где Q_Дж=I²Rt; Q_П=ПIt.

Для большинства различных пар металлов П имеет величину порядка 10^-210^-3 В. При изменении направления тока нагреваемые и охлаждаемые спаи поменяются местами. Заметим, что количество теплоты, поглощенное спаем, увеличивается с увеличением силы тока. Однако охлаждение будет наблюдаться в том случае, если Q_П > Q_Дж или П > IR. Для того, чтобы получить максимальное охлаждение спая, поглощаемое количество теплоты Q= Q₂= (ПII²R)t должно быть максимально. Сила тока, соответствующая максимальному охлаждению, определяется из условия: dQ/dI=0. Следовательно, I= П/2R.

В настоящей работе определяется коэффициент Пельтье и теплота Пельтье, выделяемая в спае в единицу времени: qП=ПJt. Изменяя силу тока, проходящего через термоэлемент, можно добиться того, чтобы температура спаев а и б была различной, что и регистрируется дифференциальной термопарой и цифровым вольтметром. Измерение разности температур вследствие эффекта Пельтье не позволяет определить теплоту этого эффекта. Для определения количества тепла в данном варианте измерений используется так называемый компенсационный метод, сущность которого заключается в использовании дополнительного нагревателя, расположенного вблизи спая и позволяющего компенсировать избыточный тепловой поток.

При использовании дополнительного нагревателя удается добиться установления одинаковой температуры на левом и правом спаях, что и будет отмечено дифференциальной термопарой. Тогда количество теплоты, выделяемое в единицу времени в первом спае, равно количеству теплоты, выделяемому во втором спае:

Q_ДжQ_П+ Q_Дж^'= Q_Дж+Q_П, (14)

где Q_Дж - количество теплоты, выделяемое в спаях при прохождении тока I; Q_Дж^'=I₁²R₁/t – количество теплоты, выделяемое нагревателем R₁. Из последнего соотношения: Q_Дж^'= 2Q_П, или qП = ПIt= I₁²R₁t/2.

Следовательно,

П=I₁²R₁/2I. (15)

По этим формулам определяются теплота и коэффициент Пельтье.

5. Порядок выполнения работы

1. Градуировка термопар

Изменяя температуру горячих спаев с помощью источника питания, измерьте термоэдс четырех термопар. Постройте графики зависимости =f(T) для градуируемых термопар. Рассчитайте для

каждой из них коэффициенты =/(T₁-T₂).

2. Изучение эффекта Пельтье.

Изучите схему (рис.2). Включите источник питания термоэлемента и зафиксируйте (цифровым вольтметром) наличие эдс в дифференциальной термопаре. Измените направление тока. Убедитесь в изменении знака эдс. Включите дополнительный нагреватель, подав на него напряжение 1В.

Рис. 2

Когда дифференциальная термопара зафиксирует одинаковые температуры левого и правого спаев (=0), измерьте силу тока и напряжение на дополнительном нагревателе. Используя расчетные соотношения, приведенные выше, вычислите теплоту и коэффициент Пельтье.