Лабораторні роботи при вивченні термоелектричних явищ в курсі фізики

LABORATORY EXPERIMENTS UNDER THE THERMOELECTRIC PHENOMENA STUDIES

IN COURSE OF PHYSICS

The possibility to create a series of laboratory experiments with use the teaching devices for demonstration of Seebeck and Peltier effects in order to extending study of thermoelectric methods of direct transformation of energy is shown. Those laboratory experiments cover measurements and determination of a number of important physical magnitudes.

Key words: laboratory experiments, physics, thermoelectricity.

Дослідження в області методів прямого перетворення енергії і їх застосування на практиці в сучасних умовах одержали настільки важливе значення, що основи цих методів вивчаються не тільки в курсах загальної фізики вищих навчальних закладів, але також і в стандартних курсах фізики середньої школи [1-3]. Для більш глибокого розуміння фізики методів прямого перетворення енергії необхідно теоретичне вивчення відповідного матеріалу супроводжувати лабораторними і практичними заняттями. У цьому повідомленні хотілось би поділитись досвідом підготовки і проведення циклу лабораторних і практичних занять з розділу по методах термоелектричного перетворення енергії і їх практичному застосуванню які на протязі ряду років проводились на департаменті фізики університету Едуардо Мондлане, а також показати можливість поглибленого експериментального вивчення термоелектричних ефектів в курсах загальної фізики. термоелектричний енергія учбовий освіта

Цей цикл лабораторних робіт починається з вивчення і градуювання термопари. Першим етапом цієї роботи є виготовлення термопари. Для цього, як відомо, використовується схема представлена на мал. 1. Якщо один контакт термопари занурено в графіт, то при напрузі на генераторі 80 - 100 вольт електродуга, що виникає між термопарою і графітом, створює надійний контакт двох матеріалів термопари.

Як термопара використовувались термопари мідь - константан, Fe - константан, мідь - копель, Fe - копель, хромель - копель.

Наступний етап роботи зумовлений необхідністю градуювання одержаної термопари. З метою одержання практичного досвіду як термопари використовувалися вказані вище термопари виробництва компаній CENCO, PHYWE і інших з відомою калібровкою, але студенти повинні були самостійно виготовити і проградуювати термопару. Не зупиняючись на деталях цієї добре відомої лабораторної роботи, зауважимо, що в майбутньому виготовлені і прокалібровані студентами термопари використовувались для вимірювання температури в різних дослідах у широкому інтервалі температур [4, 5]. Необхідно відмітити, що вже в теоретичному вступі до вказаних вище лабораторних робіт зроблено детальний теоретичний опис фізики термоелектричних ефектів і їх сучасного практичного застосування [1, 2, 6, 7].

Як додаткове завдання до цієї лабораторної роботи можна запропонувати вивчення температурної залежності термо-ЕРС, використовуючи з цією метою термостат. Зрозуміло, що таке завдання можна пропонувати студентам старших курсів, знайомих з поняттям виродження електронного газу в металах.

На лекціях відповідний розділ розглядається згідно кількості відведених годин, а на практичних заняттях при розв'язанні задач приділяється особлива увага для ґрунтовного засвоєння даного матеріалу, що полегшує розуміння і реалізацію лабораторних робіт.

Наступний етап у вивченні основ прямого перетворення теплової енергії в електричну базується на використанні навчального приладу для демонстрації ефекту термоелектричного генерування струму АЛТЕК - 7007, що розроблений і виготовляється Інститутом Термоелектрики НАН і МО України (мал. 2).

В інституті термоелектрики була детально розроблена лабораторна робота[8] "Вивчення ефекту термоелектричного генерування струму" , яка нараховує чотири досліди:

1. Визначення напруги, струму, потужності генератора і перепаду температур між гарячою і холодною сторонами термоелектричного модуля.

2. Визначення коефіцієнта корисної дії (ККД) термоелектричного генератора.

3. Визначення максимальної потужності термоелектричного генераторного модуля.

4. Визначення коефіцієнта корисної дії модуля в режимі максимальної потужності.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Мал. 1 Прилад для демонстрації ефекту термоелектричного генерування струму АЛТЕК 7007

Подальше вивчення термоелектричних ефектів і їх практичного застосування ґрунтується на використанні навчального приладу для демонстрації термоелектричного ефекту Пельт'є АЛТЕК - 7006, що також розроблений і виготовляється інститутом термоелектрики (мал. 3).

Мал. 2 Навчальний прилад для демонстрації термоелектричного ефекту Пельт'є АЛТЕК 7006

Лабораторна робота "Вивчення термоелектричного ефекту охолодження - ефекту Пельтьє" складається з двох дослідів:

1. Визначення перепаду температур між теплою і холодною сторонами термоелектричного модуля.

2. Визначення холодопродуктивності термоелектричного модуля.

Детальний опис лабораторної роботи можна знайти в [9], а також на сайті інституту термоелектрики.

Необхідно відмітити, що вказані прилади можуть також з успіхом використовуватися для лекційних демонстрацій. Як відомо, в лекційних демонстраціях дуже просто показати виникнення ефекту Зеєбека, аботермо-ЕРС, досить мати два різних провідника, скручених з одного боку і під'єднаних двома іншими кінцями до клем демонстраційного гальванометра і нагріти точку контакту провідників.

Можна розглядати кілька версій використання вказаних вище приладів АЛТЕК:

а) спрощена - для циклу лабораторних робіт з фізики в середній школі;

б) середнього рівня складності - для лабораторних робіт у курсі загальної фізики ВНЗ;

в) ускладнена - для циклу лабораторних робіт по базово-спеціалізуючим дисциплінам і дисциплінам спеціалізації.

В останньому випадку поряд з відповідним теоретичним описом фізики термоелектричних ефектів, можна замінити термометри (мал. 2 і 3) термопарами,зробленими і проградуйованими студентами. Тут зразу ж виникає питання порівняння точності виміру температури звичайними термометрами і термопарами. Крім цього виникає можливість суттєво збільшити інтервал виміру температур.

Зупинимося ще на одному можливому аспекті використання вказаних приладів.

Як відомо, при вивченні університетських курсів фізики твердого тіла, фізики напівпровідників і ряду суміжних дисциплін виникають добре відомі проблеми з постановкою лабораторних робіт. Справа в тому, що лабораторне обладнання в цьому випадку значно складніше, не порівняно дорожче, не серійне і не завжди є можливість його придбати. Часто для цих цілей використовується лабораторне обладнання науково-дослідних лабораторій. Для великих груп студентів це приводить до відомих труднощів у плануванні навчального процесу, а в ряді випадків це неможливо навіть теоретично. Тому виникає необхідністьупостановцівідноснопростихлабораторнихробіт,придатних для лабораторного практикуму при вивченні базово-спеціалізуючих дисциплін [4, 5]. Було показано, як на базі звичайного датчика Холла можна реалізувати ряд лабораторних робіт з вимірювання питомого опору і його температурної залежності в широкому інтервалі температур, вивченню ефекта Холла і магнетоопору в слабих магнітних полях [4, 5].

У приладах АЛТЕК - 7007 і АЛТЕК - 7006 для генерування струму і для охолодження використовуються термоелектричні модулі. Типова конструкція термоелектричного модуля з послідовно з'єднаними термопарними термоелементами, що використовуються в приладі АЛТЕК - 7007, а також окремий термоелемент показані на мал. 4 [2]. Якщо від комутаційних пластин окремого термоелемента термоелектричного модуля зробити електричні контакти з відводами, то в електричнорозімкнутому стані термоелектричного модуля за наявності градієнту температури між комутаційними пластинами 1 і 3 виникає термо-ЕРС, яка може бути виміряна. Такі виміри можна провести з п- і р-вітками одноготермопарного термоелементу і таким чином експериментально оцінити термо-ЕРС ая і а кожної вітки термопарного термоелемента. Відмітимо, що, строго кажучи, для точнішого визначення термо-ЕРС віток краще зробити

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Мал. 3 з послідовно з'єднаними термопарними термоелементами. 1,4-керамічні пластини, 3,5- вітки n- і p-типів провідності, 6-комутаційна пластина, 2,7- електричні контакти, 8- термопарний термоелемент, 9, 10, 13-металічні комутаційні пластини, 11, 12- вітки n- і p-типів відповідно

Якщо встановити уздовж віток термопарного термоелементу термопари для виміру температури, а пальник замінити електронагрівачем, то можна досліджувати розподіл температури вздовж віток термопарного термоелемента і її залежність від прикладеної різниці температур.

За відсутності градієнту температури в електричнорозімкнутому термоелектричному модулі можна пропустити слабий електричний струм через кожну з віток окремого термоелементу, використовуючи для цього контакти в комутаційних пластинах. Під'єднуючи гальванометр до потенціальних контактів, про які йшла мова вище і знаючи геометрію віток, можна виміряти питомий опір n- і p-віток, ая і а відповідно.

Повторюючи описані вище вимірювання, розміщуючи термоелектричний генератор в термостаті і змінюючи температуру, можна вивчати залежність термо-ЕРС і питомого опору від температури, і відповідно, хоча і в досить "скромному" інтервалі температур в околі кімнатних температур. Відмітимо, що можна проводити виміри в парах рідкого азоту [4, 5] і таким чином суттєво розширити інтервал вимірюваних температур. При вивченні температурної залежності термо-ЕРС можна ставити додаткові завдання з порівняння температурних залежностей термо-ЕРС напівпровідників і металів та температурних залежностей питомого опору напівпровідників і металів. Виміряні температурні залежності можуть бути використані для визначення важливих енергетичних параметрів термоелектричних матеріалів.

Знаючи залежність можна експериментально визначити коефіцієнт Томсона

т = T

і його

температурну залежність. Такожвідмітимо, щознаючитермо-ЕРС а можна обчислити коефіцієнт Пельтьє П і за відомою залежністю визначити температурну залежність коефіцієнту Пельтьє

П = п (Т).

Можна експериментально оцінити коефіцієнти теплопровідності віток термопарного термоелементу кп і k , хоча це і зв'язано з відомими труднощами, або використати відомі літературні дані. По відомим а, р і к можна оцінити термоелектричну добротність

Z = <а рк

матеріалів віток термоелементу, знайти параметр ZT і оцінити значення ККД окремої термопари. Останні завдання можна розглядати в якості додаткових для підготовлених студентів.

Однією з фізично цікавих лабораторних робіт може бути робота з експериментальної перевірки першого і другого співвідношень Томсона. Для цього необхідно провести незалежні вимірювання коефіцієнтів Томсона і Пельтьє і потім використати дані, одержані вище.

Таким чином, маючи в навчальній фізичній лабораторії прості, надійні і не дорогі в ціновому відношенні прилади АЛТЕК-7007 і АЛТЕК-7006 можна проводити не тільки лекційні демонстрації, але й реалізувати серію лабораторних робіт, які дозволяють не тільки перевірити ряд фундаментальних фізичних співвідношень, але й продемонструвати і глибоко вивчити методи прямого перетворення теплової енергії в електричну і вивчити методи термоелектричного охолодження і їх практичне застосування.

Використані джерела

1. Anatychuk L.I., Thermoelectricity, v1, Physics of thermoelectricity, Institute of thermoelectricity. - Kyiv, Chernivtsi, 1998. - 376 p.

2. Анатычук Л.И., Термоэлектричество, т. 2, Термоэлектрические преобразователи энергии. - Киев, Черновцы, 2003. - 376 с.

3. Maria Teresa Marques de Sa, F^sica, Ciencias F^sico-Qu^micas, 10° ano, Texto Editora, 1995.

4. Черниш В.В., Домбу К., Фізичний експеримент при вивченні базово -спеціалізуючих дисциплін на департаменті фізики університету Едуардо Мондлане // Вісник ЧДПУ ім. Т.Г. Шевченка, вип. 77, серія: педагогічні науки. - 2010. - С. 343-346.

5. Chernysh V., Dombo C., Estudo das caracteristicas cineticas dos portadores de carga nos trabalhos laboratoriais das disciplinas basicas especificas,1a Conferencia de F^sica da CPLP, Maputo,12-16 de Setembro de 2010, Manual de artigos, Maputo, 2012, p. 267-271.

6. Самойлович А.Г., Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии. Конспект лекций, Черновцы, "Рута", 2006, 226с.

7. Rosmyslov V., Tchernych V.,Guiade trabalhos laboratoriais da disciplina Electricidade e Magnetismo, Editora UEM, Maputo, 1986. - 39 с.

8. Учбовий прилад для демонстрації ефекту термоелектричного генерування струму ALTEK-7007, інструкція по експлуатації - Чернівці: Інститут термоелектрики НАН і МО України, 2009. - 7 с.

9. Учбовий прилад для демонстрації термоелектричного ефекту Пельт'є ALTEK-7006, інструкція по експлуатації. - Чернівці: Інститут термоелектрики НАН і МО України, 2009. - 4 с.

Размещено на Allbest.ru