自制热电偶装置演示温差电现象

王 婷

(兰州交通大学,甘肃兰州 730070)

自制热电偶装置演示温差电现象

王 婷

(兰州交通大学,甘肃兰州 730070)

通过实验加深学生对理论知识热电效应的理解;让学生自制热电装置,设计测量电路,将热学和电学有机地结合在一起;将非电量温度的测量转换为电量的测量;激发学生的学习兴趣及创新精神,提高学生对实验课的重新认识。

温差发电;金属材料;实验教学

温差发电现象最早是在金属中发现的,是研究热能和电能直接转换的科学[1]。温差发电技术是利用热电转换材料直接将热能转换为电能,无需化学反应或流体介质,是一种绿色环保的能源技术[2-9]。由于两种金属接触的温差电现象特别徽弱,在很长一段时间内没有得到发展[5]。在实验教学中,集成仪器上虽有热电偶测温实验模块,但学生不能直观地观察实验现象,理解不透彻,效果不显著;针对金属材料的温差电效应设计和制作了一种温差电效应演示装置,用放大器将微弱的电信号处理后制作热电转换实验仪,可直观地演示不同金属材料的热电效应,将抽象思维的理论知识转化为直观的、普遍的现象。做到了内容上的新颖性,实用性,趣味性,用理论指导实践,学用结合的目的。

1 实验原理

温差电动势的实质是两块逸出不同的金属接触时产生的接触势差,在高温端和低温端存在温度差,两个电极闭合时,在接点处,就会有载流子在导体中流过,形成电流。相反,在外电场的作用下电子通过接触面时要吸收或放出一定的热量,从而出现制冷或制热的现象[6-7]。示意图如下图1所示。

图1 实验原理图

2 演示装置

当制作电偶的材料确定后,温差电动势的大小就只决定于两个接触点的温度差。可选用指南针或灵敏电流计检测温差电偶中有电流通过。金属材料的塞贝克系数小,导热系数大,不但电动势小,也很难维持节点处恒定的温差。针对金属材料的温差电效应非常微弱,引入了放大器。此装置可根据实验者的时间选择不同的放大倍数,以观察实验现象。

2.1 选用器材及特点

金属材料:选用生活中常见的铜丝1根、铁丝2根,长度为30 cm信号放大器:选用仪表放大用AD620。AD620具有易于使用的特性,是一款低成本、高精度仪表放大器,增益通过一个外部电阻设置进行编程(增益范围:1至10 000),对于G=1, RG引脚不连接;对于任意增益,可用下式计算RG:

宽电源电压范围(±2.3~±18V),性能高于3运放分立仪表放大器设计,并且功耗更低(最大工作电流仅1.3mA),因而非常适合电池供电及便携式(或远程)应用热源:可选用电烙铁或玻璃杯、冷热水检测电路:测量部分选用易于读数、高精度的数字温度计,数字电压表;实物检测选用发光二极管电路,小电机,风扇,指南针等。

2.2 实验装置的框图和结构示意图

在利用温差发出直流电以后,可以用数字毫伏表测试电压大小;用LED来证明的确利用温差发出电来了,但由于温差发电效率较低,产生的电动势较小,不足以点亮LED,因此需要一驱动电路。据此,可以把整个温差发电演示仪分为三个部分。温差发电就是賽贝克效应的应用,设计结构框图如图2示。

图2 实验装置框图

其中,温差发电装置用来实现温差发电;小信号放大电路可根据实验者的时间确定不同的放大倍数,以便及时地观测温差电现象;效果检测部分用来演示温差是否产生了电;热电系数测量部分用来验证温差与发电之间的数量关系。

2.3 实验装置设计与制作

根据上述框图设计思路,设计并制作了温差发电演示仪,图3是演示仪结构示意图。

演示仪利用了日常生活中常用的金属材料,2根铁丝和1根铜丝做成热电偶,热端置于保温杯或靠近电烙铁,冷端置于工作环境。水或电烙铁作为温差源,可将冷水加热到需要的温度。这样,发电系统就形成了。利用信号线将其与测量和效果演示部分相联。测量部分由温度表和电压表组成,可实现实时冷热水温度控制、温差测量和电压测量,便于研究温差与电压的关系。效果演示部分设置了用电器:可转动的风扇和能发光的小电珠及LED二极管,选择不同的连接方式,可演示多种效果;如图4,把负载电路做在一块电路板上,用多支红色发光二极管并联拼成一定的图案,并把该板固定在支架上,以便观察。实物照片如图3所示。

图3 实验装置结构示意图

图4 实物演示

2.4 实验演示过程与效果

首先,焊接好发电系统。水槽内注入水,至少要淹没加热棒。在热水槽中放好热电偶的工作端。冷水槽放好热电偶的冷端,并确定热电偶的两端与冷、热水接触良好。其次,将发电系统与测量部分用信号线连接好,准备测量。先把信号线连接到数字毫伏表和温度表,观察是否有电发出来。如果没有,检查发电系统是否组装良好。热端水温降温,每隔1 min记录一次冷热端温度及数字毫伏表数据,发现温差与发电量基本呈线性关系。可见,热电材料的性能与温差有关,温差过低,不宜于发电。

如果把电路板的电源与温差发电实验装置的两个接线柱连接(注意正负极)。将电烙铁靠近热电偶工作端,加热一段时间,维持冷热两端点有较大温差,可看到热电偶两端输出电能驱动发光二极管拼成的图案发光。加热时间越长,发光越强。

该装置还可演示温差电效应制冷过程(耳贴效应)。将热电偶与直流电源及电流表串联,热电偶的两端分别放入数字温度计。调节电路中的电流可发现两个温度计示数一个升高,一个降低,电流越大,温差越大。

3 结 论

用金属温差热电偶和冷、热水(或电烙铁)组成温差发电系统。在实验教学中,使用此装置可以作为教具,向学生展示不同能量之间的相互转换。由温度表和数字毫伏表组成测量部分,测量结果表明,温差与电动势之间基本呈线性关系;由小风扇、LED发光二极管和马达组成效果演示部分,演示效果明显多样,很受学生喜爱。

[1] 孙志强.温差发电技术[J].中国博士后,2010(1): 37-40.

[2] 汤广发,李涛,卢继龙.温差发电技术的应用和展望[DB/OL].(2010-3-1)[2011-8-15].http://wenku. baidu.com/view/7ad37018227916888486d70e.htm l.

[3] 张腾,张征.温差发电技术及其一些应用[DB/OL]. (2010-6-25)[2011-8-15].http:∥ wenku.baidu. com/view/2177b242336c1eb91a375d01.html.

[4] 郑艺华,马永志.温差发电技术及其在节能领域的应用[DB/OL].(2011-6-21)[2011-8-15].http:// wenku.baidu.com/view/84337feb172ded630b1cb6f0. html.

[5] 王风跃.温差电——一门古老而又年轻的科学[J].电子漫话,2002(2):77-78.

[6] 许志建,徐行.塞贝克效应与温差发电[J].现代物理知识,2004,16(1):41-42.

[7] 周子鹏.半导体温差发电装置的研制[DB/OL]. (2011-7-23)[2011-8-15].http:∥www.docin.com/ p-107292807.html.

[8] 罗浩,向泽英,谢英英,等.电位差计测热电偶电动势实验的拓展与应用[J].大学物理实验,2014(5): 60-63.

[9] 王婷.基于能量抉测法的热电偶与DS18B20测温系统[J].大学物理实验,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

国家自然科学基金项目(11164013);兰州交通大学实验教学改革项目(2015236)