澤貝克／佩爾捷效應演示實驗

李新仁，莊明偉，陳世希，梁志強

（山東交通學院a．汽車工程系；b．數理系，山東 濟南250023）

1 引 言

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

2 半導體溫差發電組件原理

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

圖1 半導體溫差發電組件原理圖

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，單位為V／K或μV／K．AS取決于材料本身的電子能帶結構［4－5］．

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

3 演示裝置

3．1 演示裝置結構

演示裝置采用199WG型半導體溫差發電模塊，外形尺寸為40 mm×40 mm×4 mm，一共有127對PN結，該模塊耐高溫性能比較強，熱端穩定工作溫度可以達到180℃，最高短時沖擊溫度為220℃．熱電轉化效率為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，以防止半導體發電組件在高溫下損壞，而且便于實驗數據采集，提高實驗精度［6－7］．發電組件高溫端的溫度傳感器安裝在高溫緩沖板靠近發電組件一側．電加熱器由調節器、溫控模塊控制，可根據實驗需要手動調節加熱溫度，也可通過輸入預設溫度實現自控恒溫演示，此時溫度調節器和溫控模塊實現閉環控制，使溫度穩定在預設值，控制誤差范圍在±0．5℃．溫差發電組件安裝在高溫緩沖板上，接觸面涂導熱硅脂，以確保傳熱效率．散熱器安裝在發電組件的上面，以維持發電組件兩端的溫差．系統原理見圖3．

控制面板可以實時顯示發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系列高精度工業面板表頭顯示發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，溫度調節范圍分別為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．當被測溫度達到預設溫度時，顯示器上有提示信號．加熱調節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 澤貝克效應演示

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

打開電加熱器開關，將電加熱器調節旋鈕置于適當位置，觀察面板上的溫度顯示值，待溫度值穩定后記錄高低溫面溫度和溫差發電組件的開路電壓值，閉合短路開關后記錄短路電流值．然后斷開短路開關，接通負載電阻，調節負載阻值，記錄對應電流和電壓值．

圖4為輸出數據經Matlab擬合處理后得到的溫差電動勢與溫差之間關系圖，斜率為澤貝克系數As．

圖4 溫差電動勢與溫差之間的關系

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

3．2．2 佩爾捷效應演示

將儀器選擇開關切換到佩爾捷效應演示擋位．給半導體組件供電后原發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，再打開散熱風扇開關并把控制旋鈕調至最大，防止制冷組件高溫損壞．調節制冷組件輸入電壓（電流）控制旋鈕，待達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．此現象即為佩爾捷效應．

以一定梯度調節制冷組件的輸入電壓（電流），將得到的數據經Matlab擬合后得到半導體制冷組件輸入電壓與制冷溫差之間的關系曲線如圖5所示．

圖5 輸入電壓與制冷溫差之間的關系

4 結束語

利用半導體溫差發電組件演示儀器演示澤貝克效應及其逆效應．儀器操作簡便，結構緊湊，實驗效果明顯，不僅可以演示澤貝克效應和佩爾捷效應，而且改善了現有澤貝克效應演示裝置功能單一、實驗復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．

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