澤貝克／佩爾捷效應(yīng)演示實驗

李新仁，莊明偉，陳世希，梁志強

（山東交通學(xué)院a．汽車工程系；b．?dāng)?shù)理系，山東 濟(jì)南250023）

1 引 言

1821年德國物理學(xué)家托馬斯·約翰·澤貝克（Thomas Johann Seebeck）首次發(fā)現(xiàn)將2種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料結(jié)合在一起并且使一端處于高溫狀態(tài)（熱端），而另一端開路并且處于低溫狀態(tài)（冷端），則在冷端存在開路電壓．這一效應(yīng)稱為澤貝克效應(yīng)（Seeback effect）．1834年法國物理學(xué)家佩爾捷（J．C．A．Peltier）又發(fā)現(xiàn)了澤貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)，即當(dāng)電流流經(jīng)2種不同導(dǎo)體形成的回路時，結(jié)點處會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱或吸熱的強度與通過回路電流的大小成正比，此現(xiàn)象稱為佩爾捷效應(yīng)（Peltier effect）［1－2］．隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用半導(dǎo)體材料也可以實現(xiàn)上述現(xiàn)象，如半導(dǎo)體制冷器件、半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件等．本文針對現(xiàn)有溫差發(fā)電組件的演示裝置功能單一等缺陷［3］，設(shè)計制作了可以演示澤貝克效應(yīng)、佩爾捷效應(yīng)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電演示裝置，同時該裝置還具有一定的測量功能．

2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件原理

澤貝克效應(yīng)是指2種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料一端結(jié)合并將其置于高溫環(huán)境，另一端開路并置于低溫環(huán)境，由于高溫端的熱激發(fā)作用較強，空穴和電子濃度較低溫端高，在載流子濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而在低溫開路端形成電勢差．將多對P型、N型半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換材料按需求連接起來組成模塊，即可制成溫差發(fā)電組件，如圖1所示．

圖1 半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件原理圖

澤貝克電動勢U與冷、熱兩端的溫差ΔT成正比，即：

式中AS為澤貝克系數(shù)，單位為V／K或μV／K．AS取決于材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)［4－5］．

佩爾捷效應(yīng)是澤貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)，是指在材料中通以確定方向的電流時，相應(yīng)在材料的兩端分別會產(chǎn)生吸、放熱現(xiàn)象．若改變電流方向，吸、放熱端也隨之變換．

3 演示裝置

3．1 演示裝置結(jié)構(gòu)

演示裝置采用199WG型半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，外形尺寸為40 mm×40 mm×4 mm，一共有127對PN結(jié)，該模塊耐高溫性能比較強，熱端穩(wěn)定工作溫度可以達(dá)到180℃，最高短時沖擊溫度為220℃．熱電轉(zhuǎn)化效率為11．7%．演示儀器實物如圖2所示．

圖2 演示裝置實物圖

熱源由電加熱器提供，在電加熱器上放置高溫緩沖鋁板，以防止半導(dǎo)體發(fā)電組件在高溫下?lián)p壞，而且便于實驗數(shù)據(jù)采集，提高實驗精度［6－7］．發(fā)電組件高溫端的溫度傳感器安裝在高溫緩沖板靠近發(fā)電組件一側(cè)．電加熱器由調(diào)節(jié)器、溫控模塊控制，可根據(jù)實驗需要手動調(diào)節(jié)加熱溫度，也可通過輸入預(yù)設(shè)溫度實現(xiàn)自控恒溫演示，此時溫度調(diào)節(jié)器和溫控模塊實現(xiàn)閉環(huán)控制，使溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，控制誤差范圍在±0．5℃．溫差發(fā)電組件安裝在高溫緩沖板上，接觸面涂導(dǎo)熱硅脂，以確保傳熱效率．散熱器安裝在發(fā)電組件的上面，以維持發(fā)電組件兩端的溫差．系統(tǒng)原理見圖3．

控制面板可以實時顯示發(fā)電組件上下面的溫度、組件的電壓和電流值．裝置由STC89C52單片機控制工作．使用YT5135系列高精度工業(yè)面板表頭顯示發(fā)電組件兩端電壓和通過的電流．高低溫面溫度測量分別使用51VWE和51WWDE溫度測量模塊，溫度調(diào)節(jié)范圍分別為0～300℃和0～120℃，兩測量模塊均使用PT100型鉑電阻溫度傳感器采集溫度信號．當(dāng)被測溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時，顯示器上有提示信號．加熱調(diào)節(jié)器控制通過加熱器的電流，從而控制高溫面的溫度．

圖3 儀器控制原理圖

3．2 演示實驗

3．2．1 澤貝克效應(yīng)演示

將儀器選擇開關(guān)切換到澤貝克效應(yīng)演示擋位，接通電源總開關(guān)后打開散熱器風(fēng)扇開關(guān)，把散熱控制旋鈕調(diào)至最大，以保證散熱強度，確保儀器安全．

打開電加熱器開關(guān)，將電加熱器調(diào)節(jié)旋鈕置于適當(dāng)位置，觀察面板上的溫度顯示值，待溫度值穩(wěn)定后記錄高低溫面溫度和溫差發(fā)電組件的開路電壓值，閉合短路開關(guān)后記錄短路電流值．然后斷開短路開關(guān)，接通負(fù)載電阻，調(diào)節(jié)負(fù)載阻值，記錄對應(yīng)電流和電壓值．

圖4為輸出數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab擬合處理后得到的溫差電動勢與溫差之間關(guān)系圖，斜率為澤貝克系數(shù)As．

圖4 溫差電動勢與溫差之間的關(guān)系

每次調(diào)節(jié)需等待2 min，以使整個裝置重新達(dá)到新的平衡，調(diào)節(jié)時應(yīng)確保高溫面的溫度小于180℃，以免損壞發(fā)電組件．也可通過輸出接線柱連接本儀器配套的電機和LED彩燈代替負(fù)載電阻，直觀演示澤貝克效應(yīng)．

3．2．2 佩爾捷效應(yīng)演示

將儀器選擇開關(guān)切換到佩爾捷效應(yīng)演示擋位．給半導(dǎo)體組件供電后原發(fā)電組件即為制冷組件．實驗中注意最大電流不要超過5 A．接通電源開關(guān)，再打開散熱風(fēng)扇開關(guān)并把控制旋鈕調(diào)至最大，防止制冷組件高溫?fù)p壞．調(diào)節(jié)制冷組件輸入電壓（電流）控制旋鈕，待達(dá)到熱平衡后觀察高低溫面的溫度值，此時制冷組件兩面存在溫差．輸入電壓（電流）值越大溫差越大，反之減小．此現(xiàn)象即為佩爾捷效應(yīng)．

以一定梯度調(diào)節(jié)制冷組件的輸入電壓（電流），將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab擬合后得到半導(dǎo)體制冷組件輸入電壓與制冷溫差之間的關(guān)系曲線如圖5所示．

圖5 輸入電壓與制冷溫差之間的關(guān)系

4 結(jié)束語

利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件演示儀器演示澤貝克效應(yīng)及其逆效應(yīng)．儀器操作簡便，結(jié)構(gòu)緊湊，實驗效果明顯，不僅可以演示澤貝克效應(yīng)和佩爾捷效應(yīng)，而且改善了現(xiàn)有澤貝克效應(yīng)演示裝置功能單一、實驗復(fù)雜和實驗中的不安全因素，同時該裝置還具有一定的測量功能．

［1］ 鄭喬，劉虎．半導(dǎo)體制冷及其在物理實驗中的應(yīng)用［J］．物理實驗，2008，28（2）：30－32．

［2］ 華諍，秦松，孫偉鵬，等．半導(dǎo)體制冷演示實驗［J］．物理實驗，2002，22（5）：47－48．

［3］ 郎成，王麗南，蓋嘯塵．熱力學(xué)理論演示裝置的設(shè)計［J］．大學(xué)物理實驗，2007，20（2）：53－56．

［4］ 林玉蘭，呂迎陽，梁廣，等．基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的鋰電池充電裝置［J］．電源技術(shù)，2006，30（1）：38－40．

［5］ Qi Zhigang，Kaufman A．Quick and effective activation of proton－exchange membrane fuel cells［J］．Journal of Power Sources，2003，114（1）：21－31．

［6］ 董桂田．汽車發(fā)動機排氣廢熱的溫差發(fā)電［J］．北京節(jié)能，1997（4）：7－9．

［7］ 吳麗清，陳金燦，嚴(yán)子浚．半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的輸出功率［J］．廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1996，35（2）：210－213．