V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнение прямого и обратного эффектов Пельтье и Зеебека

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ложечко И.Л. 1

---

1АНО «ШКОЛА «ПРЕЗИДЕНТ»

Бобуров А.В. 1

---

1АНО «ШКОЛА «ПРЕЗИДЕНТ»

Работа в формате PDF

494.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников.

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Оба этих эффекта открыты в XIX веке: Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. Т. И. Зеебеком открыл одноименный эффект в 1821. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук

Меня заинтересовала эта тема потому, что элементы, придуманные в далёком в XIX веке, до сих пор эффективно используются в современных устройствах. Несмотря на то, что в каждом конкретном случае подбирается элемент с нужными параметрами, теория и источники говорят о том, что элементы взаимозаменяемы. Так это или нет, мы планируем проверить в своём исследовании.

Постановка проблемы:

Оба эффекта (эффект Пельтье и эффект Зеебека) имеют широкое применение в современной технике, а принцип работы элементов, созданных на их основе доступен для понимания в рамках изучения школьного курса физики. Между тем, эти эффекты не упоминаются в школьном курсе физики. Данная работа, кроме прикладного значения, имеет и важный методологический аспект, связанный с включением в школьный курс описания различных достижений науки.

Гипотеза исследования:существуют различия при использовании прямого и обратного эффектов Пельтье и Зеебека.

Цель исследования:выявление отличительных особенностей эффектаПельтье и эффекта Зеебека при их использовании в прямом и обратном направлении.

Задачи исследования:

Изучить историю открытия эффекта Пельтье и эффекта Зеебека.

Изучить особенности прямого и обратного эффекта Пельтье, прямого и обратного эффекта Зеебека.

Создать установку для проведения эксперимента.

Провести серию экспериментов по проверке гипотезы.

Провести анализ результатов эксперимента и сделать вывод о том подтвердилась гипотеза или нет.

Объект исследования: элемент Пельтье и элемент Зеебека.

Предмет исследования: особенности прямого и обратного эффекта эффекта Пельтье и прямого и обратного эффекта Зеебека.

Методы исследования

В исследовании применялись следующие методы:

1. Теоретические:

- анализ источников информации по истории открытия рассматриваемых в работе эффектов Пельтье и Зеебека,

- анализ сведений о принципе действия элементов Пельтье и Зеебека,

- анализ полученных экспериментальных данных.

- неполная индукция: формулировка вывода на основе данных, не охватывающих всех аспектов и возможных комбинаций характеристик исследуемых объектов.

2. Эмпирические:

- проведение серии экспериментов с целью проверки гипотезы.

Данное исследование относится к прикладным. Результаты исследования дадут ответ об эффективности возможности взаимозаменяемости элементов Пельтье и Зеебека.

Анализ источников

При описании исследуемы эффектов все источники [1,2, 4-6] упоминают что существует «эффект Пельтье и его обратный эффект, так называемый, эффект Зеебека» [2, стр.336], при этом об обратном эффекте Зеебека не упоминается. В ходе этой работы, кроме обнаружения прямого и обратного эффектов Пельте и сравнения обратного эффекта Пельтье с прямым эффектом Зеебкека, мы проверим существование обратного эффекта Зеебека.

Об актуальности исследуемого вопроса говорит, то внимание, которое уделяют изучению этих эффектов зарубежные учебники [5, стр.230; 7, стр.92; 8, стр. 567-569]. В них даётся не только описание рассматриваемых эффектов, но и их объяснение, а так же рассказывается об их применении.

Сайт российского производителя учебного оборудования ООО «3Б Сайнтифик» предлагает лабораторную установку «Эффект Зеебека» стоимостью 229 873,00 руб. [9], к которой прилагается методическая разработка. После её изучения мы пришли к выводу, что подобный эксперимент можно провести на оборудовании, не требующего столь высоких затрат.

Основная часть Эффект Пельте

Эфеект Пельтье - термоэлектрическое явление переноса энергии при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников, от одного проводника к другому. Также является обратным эффектом эффекта Зеебека, но при этом может выполнять и его функции [2, с.336].

При нагревании одной стороны и охлаждении другой стороны данный элемент может выделять электричество. И также данный элемент имеет и обратный эффект, то есть, при подключению этого элемента к электричеству одна сторона будет охлаждаться, а другая нагреваться.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека- явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах [2, с.339].

Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Особенности элементов Пельтье и Зеебека

Главной особеностью данных элементов является то, что элемент Пельтье имеет обратный эффект, а вот элемент Зеебека не имеет. И это не смотря на то что обратным эффектом элемента Пельтье является эффект элемента Зеебека.

В результате широкое применение в различных областях получил эффект Зеебека.

Элемент Пельтье является полной противоположностью устройствам, созданным на основе эффекта Зеебека. В данном случае, наоборот, под действием электрического тока образуется разница температур на рабочих площадках конструкции. Таким образом, с помощью электрического тока осуществляется перенос тепла с одной термопары на другую. При изменении направления тока нагреваемая сторона будет принимать противоположное состояние.

Данный эффект происходит в двух разнородных проводниках с одинаковой проводимостью. В каждом из них электроны обладают разным значением энергии и расположены они на очень близком расстоянии между собой. В результате произойдет перенос зарядов из одной среды в другую, и электроны с более высокой энергией на фоне низких уровней, отдадут излишки кристаллической решетке, вызывая нагрев. При недостатке энергии она, наоборот, передается от кристаллической решетки, приводя к охлаждению спая.

Применение эффекта Пельтье и эффекта Зеебека

Изучаемые эффекты применяются для создания термодатчиков, термоэлектрогенераторов, а также используются в комьютерах для улучшения охлаждения процесора.

В настоящее время эффект Зеебека применяется в интегрированных датчиках, в которых соответствующие пары материалов наносятся на поверхность полупроводниковых подложек. Примером таких датчиков является термоэлемент для обнаружения тепловых излучений. Поскольку кремний обладает достаточно большим коэффициентом Зеебека, на его основе изготавливаются высокочувствительные термоэлектрические детекторы.

Одно из значимых ограничений, возникающих при использовании термоэлектрического преобразователя, заключается в низком коэффициенте эффективности – 3-8%. Но если нет возможности для проведения стандартных линий электропередач, а нагрузки на сеть предполагаются небольшие, тогда применение термоэлектрических генераторов вполне оправдано. На самом деле, устройства, работающие на эффекте Зеебека, могут применяться в самых различных сферах:

1. Энергообеспечение космической техники;

2. Питание газо- и нефте- оборудования;

3. Бытовые генераторы;

4. Системы морской навигации;

5. Отопительные системы;

6. Эксплуатация отводимого автомобильного тепла;

7. Преобразователи солнечной энергии;

8. Преобразователи тепла, вырабатываемого природными источниками (например, геотермальными водами).

Эффект Пельтье используется в двух ситуациях: когда надо либо подвести тепло к месту соединения материалов, либо отвести его, что осуществляется изменением направления тока. Это свойство нашло свое применение в устройствах, где требуется осуществлять прецизионный контроль за температурой. Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.

Кроме того элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются:

1. Для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, чтобы стабилизировать длину волны излучения;

2. В компьютерной технике;

3. В радиоэлектрических устройствах;

4. В медицинском и фармацевтическом оборудовании;

5. В бытовой технике;

6. В климатическом оборудовании;

7. В термостатах;

8. В оптической аппаратуре;

9. Для управления процессом кристаллизации;

10. Как подогрев в целях отопления;

11. Для охлаждения напитков;

12. В лабораторных и научных приборах;

13. В ледогенераторах;

14. В кондиционерах;

15. Для получения электроэнергии;

16. В электронных счетчиках расхода воды.

Конечно, охлаждающие устройства Пельтье вряд ли подходят для массового использования. Они достаточно дорогие и требуют правильного режима эксплуатации. Сегодня это, скорее, инструмент для любителей разгона процессоров. Однако в случае необходимости сильного охлаждения процессоров кулеры Пельтье являются наиболее эффективными устройствами.

Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.

Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.

Описание экспериментальной установки

Для проведения эксперимента была создана установка, позволяющая получить необходимые данные.

Для уменьшения теплообмена с окружающей средой необходимо создать термостат. В экспериментальной установке это достигнуто с помощью теплоизоляционных материалов, используемых при строительстве, в котром созданы две ванны, разделённые в одном случае элементов Пельтье, в другом случае элементом Зеебека. В качестве ванночки использовались влагонепроницаемые коробочки от сока. Гидроизоляция элементов достигнута с помощью клеевого пистолета.

Для проведения эксперимента были подобраны элементы Пельтье и Зеебека с близкими характеристиками: рабочее напряжение и мощность.

В качестве измерительных приборов для фиксирования температуры использовались мультиметры.

Значение напряжения снималось также с помощью мультиметра или вольтметра.

Методика проведения эксперимента

В зависимости от исследуемого элемента, в разные секции ванночек заливалась либо вода разной температуры (прямой эффект Зеебека и обратный эффекта Пельтье), либо вода одинаковой температуры для обнаружения прямого эффекта Пельтье и обратного эффекта Зеебека).

Показания датчиков температуры заносились в таблицу (приложение 1), на основе которой были построены графики зависимости напряжения от температуры.

Каждый эксперимент проводился в течении 7 – 10 минут.

Результаты эксперимента

На основании данных, полученных в ходе четырёх экспериментов, построены графики

В ходе эксперимента наблюдается прямой эффет Зеебека и обратный эффект Пельтье соответствующих элементов, значения напряжений на которых примерно одинаковы. Как видно из графика зависимость напряжения на элементе от разницы температур поверхностей аналогичны. Различие в значениях объясняется различием в характеристиках объектов.

Сравнение прямого эффекта Пельтье и обратного эффекта Зеебека

Обратный эффект Зеебека

Как видно из графика, с учётом погрешностей, связанных с конструктивными особенностями прибора (указано в инструкции) можно считать, что температура в ходе эксперимента не менялась, что говорит о том, обратный эффект Зеебека не зарегистрировано.

Об этом можно судить и по графику с добавление линии тренда

Прямой эффект Пельтье

Эксперимент подтвердил наличие прямого эффекта Пельтье: в одной части ванночки температура увеличивалась, в другой падала.

Аналогичный вывод следует из анализа изменения разности температур двух сторон элемента Пельтье.

Вывод:

Элемент Пельтье имеет как прямой, так и обратный эффектеы. Элмент Зеебека возможно использовать только в прямом направлении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При работе над исследованием на основе доступных источников изучена история и особенности прямого и обратного эффекта Пельтье, прямого и обратного эффекта Зеебека.

Создание эффективной установки позволило качественно провести запланированные эксперименты для подтверждена выдвинутой гипотезы.

В ходе исследования выявлены отличительные особенности эффектаПельтье и эффекта Зеебека при их использовании в прямом и обратном направлении.

Полностью подтвердилось предположение об отсутствии обратного эффекта Зеебека. Исходя из этого утверждения следует помнить, что такие элементы как элемент Пельтье и Зеебека эффективнее использовать по прямому назначению, хотя и существует возможность использования прямого эффета Зеебека и обратного эффекта Пельтье. При наличии конструктивных сходств, все-таки для соблюдения технологии следует работать с конкретным эффектом.

После детального изучения эффекта Пельтье можно сделать вывод: несмотря на то, что использование эффекта Пельтье требует дополнительных мер и исследований по изучению безопасного и рационального использования модулей Пельтье в качестве охлаждающих устройств, это явление чрезвычайно перспективно.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10. т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. – 4-е изд., стереот.-м.: Физматлит, 2000. – 656 с.

2. Наркевич И.И. Физика: Учеб./ И.И. Наркевич, Э.И. Вомлянский, С.И. Лобко. – Мн.: Новое знание, 2004. – 680 с.

3. Роуэлл Г., Герберт С. Физика / Пер. с англ. под ред. В.Г. Разумовского. – М.: Просвещение, 1994. – 576 с.: ил.

4. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.490-494.

5.. Физика: Энциклопедия./ Под. Ред. Ю.В. Прохорова. – М.: Большая Российская Энциклопедия, 2003. – 944 с.: ил., 2 л. цв.

6. Физическая энциклопедия, т. 5. Стробоскопические приборы – яркость/ Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Балдин, Большая Российская Энциклопедия, 1998. – 760 с.

7. Vladimir Lank, Miroslav Vondra. Fizika v kocke. – Ceska republika: FRAGMENT, 2000. – 120 с. Учебник для средней школы, Словацкая республика.

8. Tsokos K.A. Physics for the IB Diploma. Fifth edition. – UK: Cambridge Universyty Press, 2004. – 850 с. Учебник для программы международного бакалавриата

9. Сайт компании 3bscientific. [электронный ресурс]// https://www.3bscientific.ru/лабораторная-установка-эффект-зеебека-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (дата обращения: 18 февраля 2018 г.)

Приложение 1. Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Прямой эффект Зеебека

Эксперимент 2. Обратный эффект Пельтье

Эксперимент 3. Обратный эффект Зеебека

Эксперимент 4. Прямой эффект Пельтье

Приложение 2. Фотография установки