珀爾帖效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)綜合演示儀

陳文娟，薛德寬，黃興洲，位浩杰，劉 冰

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

溫差半導(dǎo)體材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，目前溫差半導(dǎo)體是一個熱門的研究方向，這歸因于該類材料具有特殊的一種熱電效應(yīng):即由溫差可引起的電效應(yīng)和由電流可引起的熱效應(yīng)［1］。前者是1823年德國物理學(xué)家賽貝克首次發(fā)現(xiàn)的，稱為塞貝克效應(yīng)，對應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用為半導(dǎo)體溫差發(fā)電;后者是1834年德國物理學(xué)家珀爾帖發(fā)現(xiàn)的，稱為珀爾帖效應(yīng)，對應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用為半導(dǎo)體制冷。對溫差半導(dǎo)體而言，其自身存在著兩種工作過程相反的珀爾帖效應(yīng)和塞貝克效應(yīng)，這兩種效應(yīng)互為逆效應(yīng)。在理論教學(xué)中，需要通過演示儀器讓學(xué)生能直觀認識珀爾帖效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)，但傳統(tǒng)的演示儀只能單一演示珀爾帖效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，不能夠直觀演示兩種效應(yīng)互為逆效應(yīng)的現(xiàn)象。利用溫差半導(dǎo)體設(shè)計了一種珀爾帖效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)綜合演示儀，實現(xiàn)了同一臺儀器演示兩種效應(yīng)的功能，具有操作簡單、現(xiàn)象直觀的特點。

1 實驗原理

1．1 珀爾帖效應(yīng)原理

珀爾帖效應(yīng)是指在不同導(dǎo)體間的結(jié)點處，有電流流過時會產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以用載流子在流過結(jié)點時勢能的變化來解釋［2］，半導(dǎo)體制冷技術(shù)即是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)來實現(xiàn)的。如圖1為半導(dǎo)體制冷(熱)的原理圖，它是由1個P型半導(dǎo)體、1個N型半導(dǎo)體和3塊金屬板構(gòu)成，當加上圖1所示的電壓后，P型半導(dǎo)體中的空穴由正極流向負極，金屬板中的空穴進入P型半導(dǎo)體時勢能變大，空穴越過勢壘吸熱，金屬板變冷;P型半導(dǎo)體中的空穴進入金屬板時勢能變小，放出熱量，金屬板變熱。N型半導(dǎo)體中的電子由負極流向正極，金屬板中的電子進入N型半導(dǎo)體時勢能變大，電子越過勢壘吸熱，金屬板變冷;N型半導(dǎo)體中的電子進入金屬板時勢能變小，放出熱量，金屬板變熱［3］。

圖1 珀爾帖效應(yīng)原理圖

1．2 塞貝克效應(yīng)原理

塞貝克效應(yīng)與珀爾帖效應(yīng)原理相反，它是把熱能轉(zhuǎn)化為電能［4］。金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體一般具有不同的自由電子密度，當金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體相互接觸時，接觸面上的電子會發(fā)生擴散現(xiàn)象以消除電子密度的差異，而電子的擴散速率與金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體的溫差成正比，所以只要如圖2在金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間建立適當?shù)臏夭?，就能使電子持續(xù)擴散產(chǎn)生電壓［5-6］。

圖2 塞貝克效應(yīng)原理

2 實驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3為本裝置原理框圖。圖4為裝置結(jié)構(gòu)圖。圖5為裝置實物圖。電源裝有換向開關(guān)，打到制冷模式時，溫度控制器控制制冷電路，電壓表和電流表顯示溫差半導(dǎo)體工作電壓電流，溫度傳感器采集溫度，分別反饋給溫度控制器和電腦［7］;打到發(fā)電模式時，電源給電表供電，電壓表與溫差半導(dǎo)體串聯(lián)顯示發(fā)電電壓，電流表與溫差半導(dǎo)體并聯(lián)顯示發(fā)電電流。

圖3 裝置原理框圖

圖4 裝置結(jié)構(gòu)圖

圖5 裝置實物圖

2．1 半導(dǎo)體制冷模塊設(shè)計

本裝置采用SP1848-27145溫差半導(dǎo)體，其規(guī)格為40 mm長*40 mm寬*3．4 mm厚，內(nèi)含126對PN結(jié)，工作電壓為12 V。溫差半導(dǎo)體工作時必須裝有散熱裝置，本裝置采用了風(fēng)扇散熱，具體如圖4在SP1848-27145溫差半導(dǎo)體的熱端裝配50 mm長*50 mm寬*60 mm高的寶塔型散熱片，并在連接面涂有導(dǎo)熱硅脂，風(fēng)扇安裝在儀器內(nèi)的通風(fēng)口處［8-9］。如圖4溫差半導(dǎo)體的冷端裝有DS18B20溫度傳感器實時采集制冷溫度，并把溫度值傳送到WH7016M溫度控制器和電腦，WH7016M溫度控制器控制制冷溫度保持在設(shè)定的溫度區(qū)間，電腦上用LabVIEW軟件實時顯示制冷溫度曲線，并且采用YB5135D三位半LCD液晶數(shù)顯電壓表和電流表實時顯示工作電壓和電流。

2．2 溫差發(fā)電模塊設(shè)計

SP1848-27145溫差半導(dǎo)體與YB5135D三位半LCD液晶數(shù)顯電流表串聯(lián)，與YB5135D三位半LCD液晶數(shù)顯電壓表并聯(lián)，SP1848-27145溫差半導(dǎo)體裝在儀器的上表面，方便對其一端加熱，另一端則裝配50 mm*60 mm*50 mm的寶塔型散熱片，并在連接面涂有導(dǎo)熱硅脂，以保持兩端的溫差。

2．3 溫度圖形化顯示模塊設(shè)計

圖6是用LabVIEW軟件設(shè)計的程序框圖，利用LabVIEW軟件的VISA功能，安裝第三方的DB18B20溫度傳感器的驅(qū)動程序后，通過USB接口接收DB18B20溫度傳感器采集的溫度值［10］，運行程序，即可在虛擬的儀器面板上通過波形圖表顯示溫度變化曲線，實現(xiàn)了溫度變化的可視性。

圖6 LabVIEW程序框圖

3 實驗操作

3．1 珀爾帖效應(yīng)演示

裝置工作時，接通電源，換向開關(guān)打到制冷模式，設(shè)定WH7016M溫度控制器的控制溫度上下限，SP1848-27145溫差半導(dǎo)體開始工作制冷，電壓表和電流表顯示工作電壓和電流，DS18B20溫度傳感器實時采集制冷溫度，并把溫度值傳送到WH7016M溫度控制器和電腦。制冷溫度達到設(shè)定溫度的下限時控制器斷開電源，停止制冷，溫度回升，達到設(shè)定溫度的上限時，控制器接通電源，開始制冷，這樣就能使制冷溫度保持在設(shè)定的溫度區(qū)間。圖7為在室溫(17℃)下測得的溫差半導(dǎo)體制冷溫度部分變化曲線，由此可定量計算氣體中水分與溫度、相對濕度、露點的關(guān)系［11］。

圖7 LabVIEW面板圖

3．2 塞貝克效應(yīng)演示

換向開關(guān)打到發(fā)電模式演示塞貝克效應(yīng)，在發(fā)電溫差半導(dǎo)體一側(cè)加熱時，在電壓表和電流表上可看到發(fā)電的電壓和電流，電壓電流與溫差半導(dǎo)體兩端溫差成正比。演示時可以用一杯熱水或者直接用手掌貼在加熱端面，方便課堂教學(xué)。表1為用手掌貼在加熱端面時，溫差發(fā)電測量數(shù)據(jù)。

表1 溫差發(fā)電測量數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本演示儀綜合演示了珀爾帖效應(yīng)和塞貝克效應(yīng)，利用WH7016M溫度控制器控制制冷溫度，LabVIEW軟件在電腦上顯示溫度變化曲線，顯示模塊顯示工作電流和電壓;利用塞貝克效應(yīng)發(fā)電時，顯示模塊顯示發(fā)電電壓和電流;將本裝置應(yīng)用于大學(xué)物理實驗教學(xué)，對提高學(xué)生直觀認識珀爾帖效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)有著積極的意義，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方面取得了較好的效果［12］。

［1］ 葉劍鋒．半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)研究及電熱式試驗臺設(shè)計［D］．北京:北京交通大學(xué)，2012:77-84．

［2］ 張哲皇，李學(xué)金．珀爾貼效應(yīng)演示儀的研制［J］．大學(xué)物理實驗，1999，04:45-48．

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［12］鄒乾林．溫差電技術(shù)原理及在工科物理實驗中的應(yīng)用［J］．大學(xué)物理實驗，2010，23(5):43-46．