解曉顏，李 理，胡建民，李將祿，王月媛

(哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150025)

半導(dǎo)體熱電效應(yīng)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(xué)，黑龍江 哈爾濱 150025)

對半導(dǎo)體熱電效應(yīng)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(yīng)的溫度變化，通過聲、光、電多種形式展示Seebeck效應(yīng)的溫差發(fā)電效果，優(yōu)化后熱電效應(yīng)演示實驗裝置實驗演示效果顯著增強。

熱電效應(yīng)；演示實驗

熱電效應(yīng)又稱溫差電效應(yīng)。主要包括Seebeck效應(yīng)、Peltier效應(yīng)和Thomson效應(yīng)[1]。Seebeck效應(yīng)是將熱能轉(zhuǎn)化為電能，而Peltier效應(yīng)是將電能轉(zhuǎn)換為“冷”或“熱”，Thomson效應(yīng)與上述兩種效應(yīng)相伴生。熱電效應(yīng)演示實驗是固體物理和半導(dǎo)體物理教學(xué)的重要內(nèi)容，提高實驗的演示效果一直是教學(xué)工作者的研究目標(biāo)。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(shè)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(xué)。上述演示實驗設(shè)計的只是Seebeck效應(yīng)演示。張哲皇[5]對半導(dǎo)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(yīng)，不能同時演示Peltier效應(yīng)和Seebeck效應(yīng)。為此，前期本課題組研制的半導(dǎo)體熱電效應(yīng)演示裝置利用Peltier效應(yīng)獲得的溫差進行Seebeck效應(yīng)演示，從而實現(xiàn)一臺設(shè)備同時演示兩種效應(yīng)[6]。該演示裝置在Peltier效應(yīng)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(yīng)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(xué)演示中也不適合遠距離觀察。為進一步增強熱電效應(yīng)演示實驗教學(xué)的課堂演示效果，本文在此基礎(chǔ)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(yīng)演示實驗中原有熱電效應(yīng)演示裝置通過換向開關(guān)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(xué)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(yīng)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(dǎo)體熱電效應(yīng)演示裝置示意圖

在Seebeck效應(yīng)演示實驗中原有熱電效應(yīng)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(xué)演示效果，使熱電效應(yīng)演示裝置能夠更好地用于科技展示和大型課堂教學(xué)演示，本文優(yōu)化改進后的熱電效應(yīng)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(yīng)演裝置的穩(wěn)壓電源(5)設(shè)有兩路輸出，一路接半導(dǎo)體制冷片(8)，制冷片上表面設(shè)有冰盒，冰盒與半導(dǎo)體之間均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂；另一路則接數(shù)字顯示溫度表(9)。為保護半導(dǎo)體制冷片，使用風(fēng)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(guān)(6)來實現(xiàn)，Seebeck效應(yīng)和Peltier效應(yīng)之間的轉(zhuǎn)換通過單刀雙擲開關(guān)(7)來實現(xiàn)(簡稱SP開關(guān))。

2 實驗操作步驟

首先進行Peltier效應(yīng)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(guān)置于制冷位置，SP轉(zhuǎn)換開關(guān)置于P，接通電源，數(shù)字溫度計示數(shù)開始下降，證明半導(dǎo)體制冷片已開始工作，產(chǎn)生制冷效果。

在進行Seebeck效應(yīng)演示實驗時，斷開總電源開關(guān)，將單刀雙擲開關(guān)(7)接到S端，三相轉(zhuǎn)換開關(guān)(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(yīng)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(guān)置于P還可以演示半導(dǎo)體制冷片的制熱效果，電源轉(zhuǎn)向開關(guān)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(yīng)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(yīng)演示實驗的溫度變化，通過聲、光和電多種形式展示Seebeck效應(yīng)，使實驗演示效果顯著增強。優(yōu)化后的熱電效應(yīng)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(xué)教程[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2010：213-218.

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

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

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

[5] 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，1999，12(4)：43-46.

[6] 王月媛，黃升民，胡建民.熱電效應(yīng)演示實驗[J].大學(xué)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(xué)校教改工程項目(JG2013010361)；黑龍江省高等教育學(xué)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