佩尔捷效应的演示

张立凯，姜永恒，何春凤，冯 毅

（吉林大学 物理学院，吉林 长春130021）

1 引 言

1834年法国科学家佩尔捷发现了热电致冷、致热的现象．由N型及P型半导体材料组成的热电元件，当通过直流电流时，因其电流的方向不同，将在热电元件N型及P型半导体材料的结点处产生吸热或放热现象，该现象就称为佩尔捷效应．对佩尔捷效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流．由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级跃迁时释放出多余的能量；相反从低能级向高能级跃迁时将会从外界吸收能量．能量在热电元件交界面处以热的形式吸收或放出．

本文设计了基于单片机的佩尔捷效应演示仪器，该仪器带有LED数码管显示和温度传感器，使学生能直观地看到佩尔捷元件两表面温度的变化过程，而且通过手动改变电流的方向，可以实现温度变化的转换．通过演示可以让学生更好地了解佩尔捷效应．

2 佩尔捷效应演示仪器的设计思想

佩尔捷效应演示仪器是以单片机为核心的智能化的演示装置．仪器的电路框图如图1所示．

2．1 佩尔捷元件介绍

图1 仪器的电路结构框图

采用如图2所示的佩尔捷半导体元件，半导体通过金属导流片连接构成回路，对该元件加以直流电压，当电流由N型半导体到P型半导体时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，它们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片的上端面吸热，而其下端面放热，故产生温度差．当电流换向后吸热和放热的端面将发生改变．

图2 佩尔捷元件示意图

在佩尔捷元件两侧加上散热片，一方面可让学生通过两侧散热片的冷热来判断吸热和放热，另一方面也方便温度传感器的安装．

2．2 电流换向及控温电路

采用如图3所示的电流换向及控温电路．继电器由单片机的I／O口通过三极管来控制通断．

图3 电流换向及控温电路框图

为了防止放热面的温度过高带来危险，在实验中，用控温继电器来保证温度，当温度达到42℃时，继电器断开使佩尔捷元件断电，放热面的温度将不会再升高；当温度降到36℃时，控温继电器接通使佩尔捷元件重新上电，放热面的温度将会上升，由此来保证安全．

用换向继电器来控制电流的方向，由键盘来转换并用数码管来显示电流的流向，使流过佩尔捷元件的电流能按照要求来变化．

2．3 温度传感器及电路

使用温度传感器DS18B20，该传感器是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，是3管脚小体积封装方式，可以方便地固定在仪器的散热片上，传感器的温度测量范围为－55～＋125℃，测温分辨率可达0．062 5℃，满足仪器的使用要求．传感器的连线采用4芯屏蔽双绞线，其中一组为接信号线和地线，另一组为电源和地线，屏蔽层在电源端单点接地，信号线通过上拉电阻直接输入到89S51的I／O端口．其电路框图如图4所示．

图4 温度传感器电路框图

2．4 键盘显示电路

仪器中采用的显示键盘器件是HD7279A，该芯片与单片机具有串行接口连接，可最大程度的减少连线，器件同时驱动8位共阴式LED数码管和64键的键盘矩阵，单芯片就可以完成显示、键盘接口的全部功能．仪器中采用的是该芯片提供的标准电路，如图5所示．

图5 HD7279A显示键盘电路图

使用8位LED数码管，其高3位和低3位显示佩尔捷元件两面的温度，显示格式为：38．1一三21．5，温度精度为0．1℃，中间的两位数码管用于显示电流的方向．一三表示电流方向为正向，在演示装置的主机上看是从左向右；三一表示电流方向为反向，在演示装置的主机上看是从右向左，这样可以让学生直观地看到电流方向和温度变化之间的关系．

仪器键盘为3个，用于改变电流的方向及启动、停止运行．

演示装置的主机如图6所示．

图6 演示装置主机图

3 结束语

通过演示实验仪器可以将语言描述的内容以形象化、数字化、直观化的方式展示在学生面前，提高学生的理解能力．而演示实验仪器的研制开发，不仅可以丰富演示内容，还可以让学生参与到科技制作活动中，既培养了学生解决问题的能力，又使得学生的综合素质得到提高．而单片机、数码显示在演示实验仪器中的使用，使得演示的内容可以用数字化的方式定量的表现出来，加深学生对物理概念的理解．通过智能佩尔捷效应演示仪器可以让学生更好的了解佩尔捷效应．

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