半導體溫差發(fā)電及制冷教學演示器

張維夏 吳定波 喬一恒

摘 要：學習高中物理時知道熱電偶溫差現象，特殊半導體材料的溫差電現象更明顯。高中物理實驗室并沒有這樣現成的演示儀器，本文制作能夠實現上述功能的演示儀器，實踐效果很好。

關鍵詞：溫差發(fā)電；通電制冷；教學演示器

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）10-0048-3

1 提出問題

我們在學習高中物理人教版課本選修3-3第七章第四節(jié)《溫度和溫標》的過程中，知道了熱電偶溫差現象，了解了熱電偶溫度計的原理。通過上網查閱，發(fā)現特殊半導體材料溫差現象更明顯，已有半導體溫差發(fā)電片，反之給它通電，在其兩面會產生溫差，溫度低的那邊可實現制冷。由于目前學校實驗室還沒有溫差發(fā)電、半導體制冷相關的教學儀器，為解決這一問題，我們學生物理實驗學習小組決定制作這樣的教學教具。

2 制作過程

2.1 所需材料與加工工具

（1）如圖1所示，4塊TEC1-12706半導體制冷片，尺寸為40*40*5，額定電壓12 V，最大工作電流6 A，最大發(fā)熱功率56 W，最大溫差70 ℃。

（2）如圖2所示，供電電源1只，溫控自動控制器1只。

（3）隔熱板1塊，尺寸為400*600*15。木板1塊，尺寸為500*350*8。

（4）玻璃圓器皿1個，溫度傳感器1只，微型電風扇1只，散熱風扇3只，鋁質散熱片4塊，鋁板5塊，透明塑料托板4塊。

（5）加工工具有鋼鋸、刨刀、臺鉗、錘、鉗子、手電鉆、熱融膠槍、激光切割機（1臺）、螺絲若干。

2.2 溫差發(fā)電演示器制作過程

（1）將半導體制冷片用導熱膠粘在鋁制散熱片（40*40*25）上，使帶型號字的一面朝外。用長方形木板制成底座，在底座上用螺絲固定1塊鋁板（100*50*4），將粘有半導體制冷片的鋁制散熱片導熱膠粘在鋁板上。將微型電風扇用螺絲也固定在底座上，并用半導體制冷片的兩根導線接到微型電風扇的電動機兩極上。（圖3）

（2）用金屬杯盛適量的溫水，放置在半導體制冷片上，觀察電扇的運轉情況：調高水溫可以提高電動機的轉動速度，增加水量可以增加電動機的轉動時間。

2.3 半導體制冷儀器制作過程

（1）用螺絲刀、螺釘、熱融膠槍、電烙鐵從上到下依次把電風扇、鋁質散熱片（120*100*25）、半導體制冷片（帶型號字的一面朝上）、鋁質散熱片（60*45*25）固定好，并將電風扇和半導體制冷片并聯在一起，整體構成制冰器，如圖4所示。

（2）在透明塑料托板（250*200*5）上用激光機切割出2個40*40的方孔，用手電鉆在適當位置打小圓孔。把2塊半導體制冷片放置在透明塑料托板的2個方孔中，半導體制冷片的兩面先用4塊相同大小的鋁板（100*50*4）覆蓋，并把它們夾在兩塊鋁質散熱片（200*120*30，180*120*30）之間，通過固定螺絲壓緊散熱片平面，用螺絲將風扇固定在與半導體制冷片發(fā)熱面接觸的鋁質散熱片上。在透明塑料托板的邊緣打孔制作連接接線柱，把2塊半導體制冷片和散熱風扇并聯到兩接線柱上，整體構成制冷器。

（3）用鋼鋸、激光切割機、熱融膠槍等工具將隔熱板做成制冷恒溫箱（250*170*100，外附白塑料板）。

（4）在塑料底座（500*300*6）一端固定好電源，并用透明塑料板制作的防水蓋板封住電源（兩側通風，防止淋水），在防水蓋板一端內側固定溫控開關，并將電源、溫度傳感器連接到溫控開關上，整體構成溫控供電系統(tǒng)。

（5）通電調試，觀察制冷情況

①將制冰器接到溫控供電系統(tǒng)，制冰器的制冷散熱片倒扣在盛有水的玻璃圓器皿內，通電（不設置溫度）降溫發(fā)現：減少水量可以縮短結冰時間。

②將制冷器接到溫控供電系統(tǒng)，制冷器的制冷散熱片倒扣在保溫盒內，溫度傳感器感應端放入制冷盒內，通過溫控開關設置制冷盒內的溫度，通電后觀察溫度的變化，看是否能達到所預設的溫度值。

3 使用效果

3.1 半導體溫差發(fā)電演示

如圖5所示，將一杯熱水放在半導體溫差發(fā)電片上，可以觀察到微風扇立即轉動，且轉速較快，這表明溫差發(fā)電片輸出電能。

3.2 半導體制冰演示

如圖6所示，在玻璃圓器皿中加入適量水（室溫），制冰器的制冷器散熱片放入水中，將溫度傳感器夾在制冷散熱片中。制冰器通電后，溫度自動控制器會顯示溫度傳感器的溫度值，能夠發(fā)現溫度示數下降很快，三分鐘左右散熱片上有結冰現象，再過一小段時間，甚至能夠發(fā)現玻璃器皿都被冰粘住。

3.3 半導體制冷恒溫演示

制冷器的制冷散熱片倒扣在保溫盒內，溫度傳感器感應端放入保溫盒內，通過溫控開關設置保溫盒內的溫度（低于室溫5 ℃）。制冷器通電后，能夠發(fā)現溫度示數下降很快，一兩分鐘溫度就會下降至設定溫度，然后間隙工作使保溫盒內的溫度穩(wěn)定在設定溫度。

4 創(chuàng)新之處

（1）溫差發(fā)電演示器，通過熱開水傳熱發(fā)電，帶動微風扇轉動，其結構簡單，操作方便，不受環(huán)境因素影響，演示效果好，直觀性強。

（2）半導體制冰裝置，通電降溫快，三分鐘水就會結冰；半導體通電制冷恒溫箱通電后，箱內溫度很快會降低到設定值，并保持不變。不僅演示效果好、直觀性強，而且還具有一定的實用價值。

（3）本套教具裝置彌補了目前實驗室中半導體溫差發(fā)電及通電制冷教學儀器的不足，不僅能夠促進學生加深對物理知識的理解，而且更能夠感受到科技的力量，培養(yǎng)學生對科技創(chuàng)新的興趣。

參考文獻：

[1]梁竹健，朱雨村，周魯竹，等.溫差電現象演示儀[J].實驗技術與管理，1992（1）：37-38.

[2]童培雄，劉貴興.簡易溫差電效應演示儀制作[J].大學物理實驗，2006（6）：60-62.

[3]胡安正，官敬業(yè). 半導體熱效率演示儀改進[J].科技創(chuàng)新導報，2008（3）：21.

[4]王艷文，胡艷春. P-N結低溫溫度計的定標[J].低溫物理學報，2012（2）：32-34.