Ефект Пельтьє.
При проходженні постійного струму через спай двох різнорідних напівпровідників в спаї виділяється теплота Джоуля, пропорційна квадрату сили струму, і теплота Пельтьє, пропорційна силі струму. При достатньо малих струмах теплота Джоуля буде менша теплоти Пельтьє і зміна температури спаю визначається теплотою Пельтьє. Однак в такому режимі зміна температури спаю виявляється незначною, що ускладнює її вимірювання. Як правило в дослідах по визначенню теплоти Пельтьє сила струму підбирається такою, щоб теплота Джоуля була близькою або більшою теплоти Пельтьє, а розділення ефектів здійснюється шляхом вимірювання кількості теплоти, що виділяється в спаї, при двох протилежних напрямках струму. Якщо теплообміном з оточуючим середовищем можна знехтувати (Q0 = 0), то при пропусканні струму І через спай в прямому напрямі, коли теплота Пельтьє виділяється, загальна кількість теплоти, яка виділяється в одиниця часу:
Q1/t = Qдж/2 + Qn (4.4)
При пропусканні через спай цієї ж величини І в зворотному напрямі, коли теплота Пельтьє поглинається:
Q1/t = Qдж/2 - Qn (4.5)
Із виразів (4.4) і (4.5) знаходимо теплоту Пельтьє:
QП = (Q1 - Q2)/2t (4.6)
Оскільки теплота Пельтьє :
QП = П12It (4.7)
то коефіцієнт Пельтьє для даного типу спаїв:
П12 = QП/It = (Q1 - Q2)/2It (4.8)
Визначення величини П12 проводиться для цієї ж напівпровідникової термопари (спаю), що і при визначенні коефіцієнта термо-е.р.с. за допомогою цієї самої установки. Схема включення її зображена на рис.2. До мідних стержнів 3 і 4, з якими в тепловому і електричному контакті знаходяться вітки 1 і 2 досліджуваної термопари, підводиться напруга (ВС-24), яка створює струм через спай.
При стаціонарному потоці тепла, коли температура спаю постійна, через вітки термопари передається внаслідок теплопровідності і виділяється в спаї щосекунди однакова кількість теплоти: при пропусканні струму в прямому напрямі:
Q1/t = (H1S1/l1+ H2S2/l2)ΔT1 (4.9)
Рис.4.2.Схема установки для дослідження ефекту Пельтьє
при пропусканні в зворотному напрямі:
Q2/t = (H1S1/l1+ H2S2/l2)ΔT2 (4.10)
де Η1 і Н2 – коефіцієнти теплопровідності досліджуваних напівпровідників, S1 і S2 – площі перерізу зразків, l1 і l2 – довжини зразків, ΔT – різниця температур між спаєм і холодними кінцями, виміряна диференціальною металевою термопарою (4.7).
Підставивши значення (4.8) і (4.9) в вираз (4.7), отримаємо формулу для визначення коефіцієнта Пельтьє:
П12 = S(ΔT1 - ΔT2)(H1 - H2)/2Ilt (4.11)
оскільки в установці l1 = l2 = l = 10мм; S1 = S2 = S = 25мм2.
Таким чином для визначення коефіцієнта Пельтьє слід виміряти різницю температур, що встановилася між спаєм і холодними кінцями термопари ΔT1 при пропусканні струму 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 А в прямому і ΔT2 – в зворотному напрямках.
в) Дослідження температурної залежності коефіцієнта термо-е.р.с. напівпровідника здійснюється за допомогою установки, представленої на рис.4.3.
Рис. 4.3. Установка для дослідження температурної залежності термо-ерс.
Нагрівник 3 служить для створення вздовж зразка необхідного перепаду температур в 10 – 20 К. Для вимірювання температури холодного і гарячого торців зразка 2, в торці його впаяні спаї термопар 4 і 5 вільні кінці яких вміщені в посудину з маслом. Виводи b, c вимірювальних термопар служать для вимірювання термо-е.р.с. зразка. Зразок з нагрівником і термопарами вміщений в циліндричну кварцову піч (термостат). Виводи термопар (a, b), (c, d), (b, c) почергово підключають до затискачів цифрового вольтметра. Для дослідження залежності коефіцієнта α від температури спочатку вимірюють величину α при кімнатній температурі. Для цього вмикають нагрівник 3 і після встановлення стаціонарного режиму температури (через 10 - 15 хв. після вмикання) вимірюють е.р.с. нижньої термопари 5 (c, d) е.р.с. верхньої термопари 4 (a, b) і термо-е.р.с. зразка 2 (b, c).
По градуювальному графіку термопари із врахуванням поправки на температуру холодного спаю термопари T0 знаходять температуру спаїв T1 і T2, а потім ΔT = T2 – T1 і коефіцієнт термо-е.р.с. по формулі (4.2). Отримане значення α відповідає середньому значенню температури гарячого і холодного кінців зразка Tc = (T1 + T2)/2 в інтервалі температур ΔT.
Змінюючи температуру в термостаті при незмінному режимі роботи нагрівника 3, знайти значення α при температурах 313, 333, 353, 373, 393 К.
Побудувати графік температурної залежності коефіцієнта термо-е.р.с: α = f(T).