王 婷

(蘭州交通大學(xué),甘肅蘭州 730070)

自制熱電偶裝置演示溫差電現(xiàn)象

王 婷

(蘭州交通大學(xué),甘肅蘭州 730070)

通過實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)熱電效應(yīng)的理解;讓學(xué)生自制熱電裝置,設(shè)計(jì)測(cè)量電路,將熱學(xué)和電學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起;將非電量溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的測(cè)量;激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及創(chuàng)新精神,提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重新認(rèn)識(shí)。

溫差發(fā)電;金屬材料;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

溫差發(fā)電現(xiàn)象最早是在金屬中發(fā)現(xiàn)的,是研究熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的科學(xué)[1]。溫差發(fā)電技術(shù)是利用熱電轉(zhuǎn)換材料直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能,無(wú)需化學(xué)反應(yīng)或流體介質(zhì),是一種綠色環(huán)保的能源技術(shù)[2-9]。由于兩種金屬接觸的溫差電現(xiàn)象特別徽弱,在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒有得到發(fā)展[5]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,集成儀器上雖有熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)?zāi)K,但學(xué)生不能直觀地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,理解不透徹,效果不顯著;針對(duì)金屬材料的溫差電效應(yīng)設(shè)計(jì)和制作了一種溫差電效應(yīng)演示裝置,用放大器將微弱的電信號(hào)處理后制作熱電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)儀,可直觀地演示不同金屬材料的熱電效應(yīng),將抽象思維的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為直觀的、普遍的現(xiàn)象。做到了內(nèi)容上的新穎性,實(shí)用性,趣味性,用理論指導(dǎo)實(shí)踐,學(xué)用結(jié)合的目的。

1 實(shí)驗(yàn)原理

溫差電動(dòng)勢(shì)的實(shí)質(zhì)是兩塊逸出不同的金屬接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸勢(shì)差,在高溫端和低溫端存在溫度差,兩個(gè)電極閉合時(shí),在接點(diǎn)處,就會(huì)有載流子在導(dǎo)體中流過,形成電流。相反,在外電場(chǎng)的作用下電子通過接觸面時(shí)要吸收或放出一定的熱量,從而出現(xiàn)制冷或制熱的現(xiàn)象[6-7]。示意圖如下圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

2 演示裝置

當(dāng)制作電偶的材料確定后,溫差電動(dòng)勢(shì)的大小就只決定于兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差?？蛇x用指南針或靈敏電流計(jì)檢測(cè)溫差電偶中有電流通過。金屬材料的塞貝克系數(shù)小,導(dǎo)熱系數(shù)大,不但電動(dòng)勢(shì)小,也很難維持節(jié)點(diǎn)處恒定的溫差。針對(duì)金屬材料的溫差電效應(yīng)非常微弱,引入了放大器。此裝置可根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的時(shí)間選擇不同的放大倍數(shù),以觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.1 選用器材及特點(diǎn)

金屬材料:選用生活中常見的銅絲1根、鐵絲2根,長(zhǎng)度為30 cm信號(hào)放大器:選用儀表放大用AD620。AD620具有易于使用的特性,是一款低成本、高精度儀表放大器,增益通過一個(gè)外部電阻設(shè)置進(jìn)行編程(增益范圍:1至10 000),對(duì)于G=1, RG引腳不連接;對(duì)于任意增益,可用下式計(jì)算RG:

寬電源電壓范圍(±2.3~±18V),性能高于3運(yùn)放分立儀表放大器設(shè)計(jì),并且功耗更低(最大工作電流僅1.3mA),因而非常適合電池供電及便攜式(或遠(yuǎn)程)應(yīng)用熱源:可選用電烙鐵或玻璃杯、冷熱水檢測(cè)電路:測(cè)量部分選用易于讀數(shù)、高精度的數(shù)字溫度計(jì),數(shù)字電壓表;實(shí)物檢測(cè)選用發(fā)光二極管電路,小電機(jī),風(fēng)扇,指南針等。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的框圖和結(jié)構(gòu)示意圖

在利用溫差發(fā)出直流電以后,可以用數(shù)字毫伏表測(cè)試電壓大小;用LED來(lái)證明的確利用溫差發(fā)出電來(lái)了,但由于溫差發(fā)電效率較低,產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)較小,不足以點(diǎn)亮LED,因此需要一驅(qū)動(dòng)電路。據(jù)此,可以把整個(gè)溫差發(fā)電演示儀分為三個(gè)部分。溫差發(fā)電就是賽貝克效應(yīng)的應(yīng)用,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置框圖

其中,溫差發(fā)電裝置用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電;小信號(hào)放大電路可根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的時(shí)間確定不同的放大倍數(shù),以便及時(shí)地觀測(cè)溫差電現(xiàn)象;效果檢測(cè)部分用來(lái)演示溫差是否產(chǎn)生了電;熱電系數(shù)測(cè)量部分用來(lái)驗(yàn)證溫差與發(fā)電之間的數(shù)量關(guān)系。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)上述框圖設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)并制作了溫差發(fā)電演示儀,圖3是演示儀結(jié)構(gòu)示意圖。

演示儀利用了日常生活中常用的金屬材料,2根鐵絲和1根銅絲做成熱電偶,熱端置于保溫杯或靠近電烙鐵,冷端置于工作環(huán)境。水或電烙鐵作為溫差源,可將冷水加熱到需要的溫度。這樣,發(fā)電系統(tǒng)就形成了。利用信號(hào)線將其與測(cè)量和效果演示部分相聯(lián)。測(cè)量部分由溫度表和電壓表組成,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)冷熱水溫度控制、溫差測(cè)量和電壓測(cè)量,便于研究溫差與電壓的關(guān)系。效果演示部分設(shè)置了用電器:可轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇和能發(fā)光的小電珠及LED二極管,選擇不同的連接方式,可演示多種效果;如圖4,把負(fù)載電路做在一塊電路板上,用多支紅色發(fā)光二極管并聯(lián)拼成一定的圖案,并把該板固定在支架上,以便觀察。實(shí)物照片如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 實(shí)物演示

2.4 實(shí)驗(yàn)演示過程與效果

首先,焊接好發(fā)電系統(tǒng)。水槽內(nèi)注入水,至少要淹沒加熱棒。在熱水槽中放好熱電偶的工作端。冷水槽放好熱電偶的冷端,并確定熱電偶的兩端與冷、熱水接觸良好。其次,將發(fā)電系統(tǒng)與測(cè)量部分用信號(hào)線連接好,準(zhǔn)備測(cè)量。先把信號(hào)線連接到數(shù)字毫伏表和溫度表,觀察是否有電發(fā)出來(lái)。如果沒有,檢查發(fā)電系統(tǒng)是否組裝良好。熱端水溫降溫,每隔1 min記錄一次冷熱端溫度及數(shù)字毫伏表數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)溫差與發(fā)電量基本呈線性關(guān)系?？梢?熱電材料的性能與溫差有關(guān),溫差過低,不宜于發(fā)電。

如果把電路板的電源與溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置的兩個(gè)接線柱連接(注意正負(fù)極)。將電烙鐵靠近熱電偶工作端,加熱一段時(shí)間,維持冷熱兩端點(diǎn)有較大溫差,可看到熱電偶兩端輸出電能驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管拼成的圖案發(fā)光。加熱時(shí)間越長(zhǎng),發(fā)光越強(qiáng)。

該裝置還可演示溫差電效應(yīng)制冷過程(耳貼效應(yīng))。將熱電偶與直流電源及電流表串聯(lián),熱電偶的兩端分別放入數(shù)字溫度計(jì)。調(diào)節(jié)電路中的電流可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)溫度計(jì)示數(shù)一個(gè)升高,一個(gè)降低,電流越大,溫差越大。

3 結(jié) 論

用金屬溫差熱電偶和冷、熱水(或電烙鐵)組成溫差發(fā)電系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,使用此裝置可以作為教具,向?qū)W生展示不同能量之間的相互轉(zhuǎn)換。由溫度表和數(shù)字毫伏表組成測(cè)量部分,測(cè)量結(jié)果表明,溫差與電動(dòng)勢(shì)之間基本呈線性關(guān)系;由小風(fēng)扇、LED發(fā)光二極管和馬達(dá)組成效果演示部分,演示效果明顯多樣,很受學(xué)生喜愛。

[1] 孫志強(qiáng).溫差發(fā)電技術(shù)[J].中國(guó)博士后,2010(1): 37-40.

[2] 湯廣發(fā),李濤,盧繼龍.溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和展望[DB/OL].(2010-3-1)[2011-8-15].http://wenku. baidu.com/view/7ad37018227916888486d70e.htm l.

[3] 張騰,張征.溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用[DB/OL]. (2010-6-25)[2011-8-15].http:∥ wenku.baidu. com/view/2177b242336c1eb91a375d01.html.

[4] 鄭藝華,馬永志.溫差發(fā)電技術(shù)及其在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用[DB/OL].(2011-6-21)[2011-8-15].http:// wenku.baidu.com/view/84337feb172ded630b1cb6f0. html.

[5] 王風(fēng)躍.溫差電——一門古老而又年輕的科學(xué)[J].電子漫話,2002(2):77-78.

[6] 許志建,徐行.塞貝克效應(yīng)與溫差發(fā)電[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2004,16(1):41-42.

[7] 周子鵬.半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研制[DB/OL]. (2011-7-23)[2011-8-15].http:∥www.docin.com/ p-107292807.html.

[8] 羅浩,向澤英,謝英英,等.電位差計(jì)測(cè)熱電偶電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)的拓展與應(yīng)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2014(5): 60-63.

[9] 王婷.基于能量抉測(cè)法的熱電偶與DS18B20測(cè)溫系統(tǒng)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2013(4):27-29.

The Thermocoup le Device is M ade to Demonstrate the Tem perature Difference

WANG Ting
(Lanzhou Jiaotong University,Gansu Lanzhou 730070)

The aim of the experiment is to understand the thermal effect of the theoretical knowledge.Let the studentsmake the thermoelectric device,design the measuring circuit,and combine the thermology and electrology together.Convert the measurement of the non electric quantity to the electric quantity.Stimulate students'interest in learning physics and innovative spirit,and improve students'understanding of the experimental class.

thermoelectric generator;metallic materials;experiment teaching

O 441

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.025

1007-2934(2015)06-0083-03

2015-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11164013);蘭州交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目(2015236)