半導體熱電效應演示實驗優(yōu)化

解曉顏，李 理，胡建民，李將祿，王月媛

(哈爾濱師范大學，黑龍江 哈爾濱 150025)

半導體熱電效應演示實驗優(yōu)化

解曉顏，李 理，胡建民，李將祿，王月媛

(哈爾濱師范大學，黑龍江 哈爾濱 150025)

對半導體熱電效應演示實驗裝置進行優(yōu)化改進，使用大屏數(shù)字溫度計顯示Peltier效應的溫度變化，通過聲、光、電多種形式展示Seebeck效應的溫差發(fā)電效果，優(yōu)化后熱電效應演示實驗裝置實驗演示效果顯著增強。

熱電效應；演示實驗

熱電效應又稱溫差電效應。主要包括Seebeck效應、Peltier效應和Thomson效應[1]。Seebeck效應是將熱能轉(zhuǎn)化為電能，而Peltier效應是將電能轉(zhuǎn)換為“冷”或“熱”，Thomson效應與上述兩種效應相伴生。熱電效應演示實驗是固體物理和半導體物理教學的重要內(nèi)容，提高實驗的演示效果一直是教學工作者的研究目標。謝春[2]、陸云鳳[3]等人將兩種不同金屬材料相接與電流計組成閉合回路，實驗設計簡單而容易操作。須雪忠[4]通過增加加熱時間或改變金屬材料實施探究性教學。上述演示實驗設計的只是Seebeck效應演示。張哲皇[5]對半導體電堆供以正向電流電堆制熱并達額定溫度后自動切斷電源，改變電流方向后電堆制冷。電堆輸入電流和溫度變化可通過數(shù)字溫度表及電流表讀出，演示效果明顯直觀。上述實驗只展示了Peltier效應，不能同時演示Peltier效應和Seebeck效應。為此，前期本課題組研制的半導體熱電效應演示裝置利用Peltier效應獲得的溫差進行Seebeck效應演示，從而實現(xiàn)一臺設備同時演示兩種效應[6]。該演示裝置在Peltier效應的展示中，通過改變電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷和制熱面的變換，冰盒中的水相應地會出現(xiàn)結(jié)冰或沸騰現(xiàn)象。但是，演示實驗所需時間相對較長，同時在課堂教學演示中也不適合遠距離觀察。為進一步增強熱電效應演示實驗教學的課堂演示效果，本文在此基礎上對演示實驗裝置進行了優(yōu)化改造。

1 優(yōu)化方法

在Peltier效應演示實驗中原有熱電效應演示裝置通過換向開關改變電流方向，冰盒中的水會出現(xiàn)結(jié)冰或沸騰現(xiàn)象，但是制冷要3 min左右才開始結(jié)冰，加熱需要2～3 min才有氣泡產(chǎn)生，實驗演示所需時間相對較長，并且冰層較薄或氣泡較小，從而影響教學演示效果。為增強熱電器件的加熱和制冷效果，本文使用大屏電子溫度計測量并顯示冰盒中的水溫，溫度示數(shù)反應靈敏，演示效果明顯提高。電子溫度計接入電路示意圖如圖1所示。

圖1 半導體熱電效應演示裝置示意圖

在Seebeck效應演示實驗中原有熱電效應演示裝置使用3 V直流電動機帶動葉輪轉(zhuǎn)動演示溫差發(fā)電效果。為了進一步增強教學演示效果，使熱電效應演示裝置能夠更好地用于科技展示和大型課堂教學演示，本文優(yōu)化改進后的熱電效應演示裝置電路原理示意圖如圖1所示。由圖1可見，熱電效應演裝置的穩(wěn)壓電源(5)設有兩路輸出，一路接半導體制冷片(8)，制冷片上表面設有冰盒，冰盒與半導體之間均勻涂抹導熱硅脂；另一路則接數(shù)字顯示溫度表(9)。為保護半導體制冷片，使用風扇對制冷片發(fā)熱面進行散熱，制冷片的制冷或加熱過程通過電流轉(zhuǎn)向開關(6)來實現(xiàn)，Seebeck效應和Peltier效應之間的轉(zhuǎn)換通過單刀雙擲開關(7)來實現(xiàn)(簡稱SP開關)。

2 實驗操作步驟

首先進行Peltier效應實驗演示。接通電源之前向冰盒中加適量水，電流轉(zhuǎn)向開關置于制冷位置，SP轉(zhuǎn)換開關置于P，接通電源，數(shù)字溫度計示數(shù)開始下降，證明半導體制冷片已開始工作，產(chǎn)生制冷效果。

在進行Seebeck效應演示實驗時，斷開總電源開關，將單刀雙擲開關(7)接到S端，三相轉(zhuǎn)換開關(1)分別可以與音樂盒(2)、電動機(3)和LED燈珠(4)相接，從而分別通過聲、光、電實現(xiàn)溫差發(fā)電效應的演示。電動機帶動直徑為5 cm的彩色葉輪，醒目而有趣。此外，SP轉(zhuǎn)換開關置于P還可以演示半導體制冷片的制熱效果，電源轉(zhuǎn)向開關置于加熱位置，接通總電源，溫度計示數(shù)開始逐漸升高，最后可達到沸騰。

3 結(jié) 論

本文對熱電效應演示裝置進行了優(yōu)化改造，使用大屏數(shù)字溫度計記錄Peltier效應演示實驗的溫度變化，通過聲、光和電多種形式展示Seebeck效應，使實驗演示效果顯著增強。優(yōu)化后的熱電效應演示裝置不僅可以用于小組近距離觀察實驗還可以用于大型課堂的遠距離實驗演示。

[1] 胡建民.固體物理學教程[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學出版社，2010：213-218.

[2] 謝春.熱電效應演示器[J].實驗教學與儀器，2010，27(4)：45.

[3] 陸云鳳，陸之和.熱電轉(zhuǎn)換演示器的設計與制作[J].物理教學，2012，34(9)：40-41.

[4] 須雪忠，臧文或.利用熱電效應演示裝置實施探究性教學[J].物理教學探討，2004，22(1)：52-53.

[5] 張哲皇，李學金.珀爾貼效應演示儀的研制[J].大學物理實驗，1999，12(4)：43-46.

[6] 王月媛，黃升民，胡建民.熱電效應演示實驗[J].大學物理實驗，2005，18(1)：50-51.

Optimization of Demonstration Experiment of Semiconductor Thermoelectric Effect

XIE Xiao-yan,LI Li,HU Jian-min，LI Jiang-lu,WANG Yue-yuan

(Harbin Normal University,Heilongjiang Harbin 150025)

The equipment of the demonstration experiment of the semiconductor thermoelectric effect is optimized.The large-screen digital thermometer showing the temperature changes of Peltier effect is used.The thermoelectric effect of Seebeck effect is displayed by sound,light,electricity.The demonstration effect of the equipment is significantly enhanced after optimization.

thermoelectric effect；demonstration experiment

2016-06-19

黑龍江省高等學校教改工程項目(JG2013010361)；黑龍江省高等教育學會教育科研課題(16Z040)

1007-2934(2016)06-0101-02

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.027