Дослідження питання узгодження електричного навантаження з елементом Пельтьє
Рівень складності | Високий | |
Рівень небезпеки | Безпечно, але під наглядом керівника | |
Доступність використовуваних матеріалів | На рівні шкільного обладнання | |
Орієнтовний час на виконання роботи | До 1 години |
Блок 1. Резюме
Робота спрямована на теоретичне та експериментальне дослідження питання узгодження електричного навантаження з елементом Пельтьє.
Мета роботи: визначити оптимальне електричне навантаження для елемента Пельтьє.
Завдання роботи: визначити ККД елемента Пельтьє за різних навантажень та його оптимальне значення.
Блок 2. Попередня інформація
Елемент Пельтьє – це термоелектричний перетворювач, принцип дії якого базується на ефекті Пельтьє – виникненні різниці температур при протіканні електричного струму. В англомовній літературі елементи Пельтьє позначаються TEC (від англ. Thermoelectric Cooler – Термоелектричний охолоджувач).
Ефект, зворотний ефекту Пельтьє, називається ефектом Зеєбека.
У кожній речовині електрони мають властивий для неї розподіл за енергіями, який характеризується рівнем хімічного потенціалу. При контакті двох струмопровідних речовин їхні хімічні потенціали вирівнюються за рахунок перетікання частини електронів з однієї речовини в іншу. Якщо два контакти між провідниками мають однакову температуру, то перетікання електронів на одному контакті балансується аналогічним на іншому контакті й виникає термодинамічна рівновага. За неоднакової температури контактів кількість електронів, які перетікають із одного провідника в інший і навпаки, різна, тож один із провідників стає зарядженим, що призводить до протікання електричного струму.
При контакті металів ефекти Зеєбека та Пельтьє настільки малі, що ледь помітні на тлі омічного нагріву і явищ теплопровідності. Тому при практичному застосуванні використовують контакт двох напівпровідників.
Елемент Пельтьє (рис. 1) складається з однієї або більше пар невеликих напівпровідникових паралелепіпедів – одного n-типу і одного р-типу в парі (зазвичай телуриду вісмуту, Bi2Te3 та германіда кремнію), які попарно з’єднані за допомогою металевих перемичок. Металеві перемички одночасно є термічними контактами та ізольовані непровідною плівкою або керамічною платівкою. Пари паралелепіпедів з’єднуються так, що утворюється послідовне з’єднання багатьох пар напівпровідників з різним типом провідності, так щоб вгорі були одні послідовності з’єднань (n – р), а знизу – протилежні (p – n). Електричний струм і тепло протікають послідовно крізь усі паралелепіпеди. Залежно від напрямку теплового потоку верхні контакти мають позитивний електричний потенціал, а нижні – від’ємний, або навпаки. У такий спосіб потік теплової енергії крізь елемент Пельтьє створює різницю потенціалів на його виводах.
Рис. 1. Загальний вигляд і схема елемента Пельтьє
У роботі пропонується дослідити ефект Зеєбека за допомогою елемента Пельтьє та визначити ККД процесу перетворення теплової енергії на електричну. Джерелом тепла буде нагріте металеве циліндричне тіло (елемент набірного вантажу), а для охолодження пропонується використовувати теплоізольовану ємність з водою. Тоді теплову енергію, яка проходить крізь елемент Пельтьє, можна визначити за формулою:
Q = c⋅m⋅(t2 – t1), (1)
де с – теплоємність води, с = 4200 Дж/кг∙К;
m – маса води, кг;
t2 і t1 – відповідно кінцева та початкова температури води.
Електричну енергію EЕ, вироблену елементом Пельтьє, пропонується визначити як інтеграл добутку напруги та електричного струму – електричної потужності за час досліду за допомогою інструментів MultiLab 4.
ККД процесу перетворення теплової енергії на електричну за допомогою елементу Пельтьє визначається за формулою:
η = (EE/Q)⋅100 %. (2)
Ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: елемент Пельтьє, ефект Зеєбека, електрична енергія, електричне навантаження, коефіцієнт корисної дії.
Джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Элемент_Пельтье;
- http://editor.inhost.com.ua/storage/MANLab/workbook/energ/8PE/#/0;
- В. Сиротюк, В. Баштовий. Фізика. 11 клас. Підручник / Рівень стандарту. – Харків, 2012.
Блок 3. Обладнання
комплект PHYWE «Відновлювані джерела енергії»; елемент набірного вантажу; магнітна мішалка; теплоізольована хімічна склянка; ПК з програмою «MultiLab 4»; аналогово-цифровий перетворювач «Einstein»; датчик напруги; датчик струму; датчик температури; з’єднувальні кабелі.
Рис. 2. Обладнання для дослідження
Основні терміни та поняття
ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У МЕТАЛАХ. КОНТАКТНА РІЗНИЦЯ ПОТЕНЦІАЛІВ. ЯВИЩЕ ПЕЛЬТЬЄ Потужність електричного струму РОБОТА I ПОТУЖНІСТЬ СТРУМУ. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Коефіцієнт корисної дії Електричний опір ЗАКОН ОМА ДЛЯ ДІЛЯНКИ КОЛА. ОПІР МЕТАЛЕВИХ ПРОВІДНИКІВ. НАДПРОВІДНІСТЬ – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
Блок 4. Експериментальна процедура
- Складіть дослідницьку установку за рисунками в методиці “Дослідження перетворення теплової енергії на електричну за допомогою елемента Пельтьє”, але замість резистора з постійним опором 250 Ом як навантаження встановіть змінний резистор опором 1 кОм.
- Проведіть вимірювання за зазначеною методикою за різних положень ручки резистора (не менше 5, зокрема двох крайніх положень).
Блок 5. Аналіз отриманих даних
- Результати досліджень запишіть у таблицю:
№ | t1, °С | t2, °С | Q, Дж | EЕ, Дж | η, % |
1 | |||||
2 | |||||
3 | |||||
4 | |||||
5 |
- За формулою (1) визначте кількість теплоти.
- За формулою (2) визначте ККД елемента Пельтьє.
- Побудуйте графік залежності струму елемента Пельтьє від напруги (його ВАХ) та графік залежності ККД елементу від напруги.
- Користуючись отриманими графіками та рівнянням закону Ома, визначте, який опір навантаження за цих умов відповідатиме максимальній ефективності елемента Пельтьє.
Блок 6. Напрями розвитку
- Визначте співвідношення напруги та струму елемента Пельтьє, що відповідають максимальній ефективності з напругою холостого ходу та струмом короткого замикання.
- Опишіть можливі сфери практичного застосування явища, що було досліджене.