CN2814557Y - 半导体热电效应教学演示仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种半导体热电效应教学演示仪。主要由高、低温显示模块、安培表、伏特表、半导体制冷片、散热器、薄膜电阻加热器、开关电源等组成。半导体制冷片、铝杯用保温材料保温后与散热器通过长螺钉紧固为一体并固定于壳体内，薄膜电阻加热器和绝热块通过短螺钉与散热器紧固为一体，在铝杯的底部和散热器的顶部与半导体制冷片接触的部位安装有热电偶。采用半导体制冷片作为热电效应的转换模块，能演示帕尔贴效应和赛贝克效应，在演示帕尔贴效应时能够显示半导体制冷片两端的电压、电流值和冷热端的温度值。在演示赛贝克效应能够清楚地显示温差电动势、电流的大小和温度的高低。在此基础上，还可以同时演示热机、制冷机、热力学第一定律和第二定律等基本原理和规律。

Description

半导体热电效应教学演示仪

                               技术领域

本实用新型涉及一种物理热学方面的教学仪器，具体是指半导体热电效应教学演示仪。

                               背景技术

热电效应是指由电流引起的热效应和温差引起电效应的总称，一般包括帕尔贴效应(Peltier)和赛贝克(Seebeck)效应。当电流通过两种不同导体的节点时，在节点附近将产生温度变化，一个节点变冷，另一个节点变热，即为帕尔贴效应；当两种不同导体构成的闭合回路中其两个节点温度不同时，回路中将会产生温差电动势，即为赛贝克效应。目前，在物理和热工教学中，热电效应没有专门的仪器直观地演示这些实验。对于帕尔贴效应，一般是给半导体制冷片通以直流电，用手感知半导体制冷片冷端和热端的温度差别，这种方法尽管简单方便，但不能确定半导体制冷片两端电压、电流的大小以及冷热端温度的高低；对于赛贝克效应，一般是用几个节点的金属热电偶构成的简单装置来演示，这种方法产生的温差电动势太小，仅仅是毫伏级，效果不明显。

                               发明内容

本实用新型的目的是提供一种半导体热电效应教学演示仪器，该仪器能演示帕尔贴效应和赛贝克效应，在演示帕尔贴效应时能够显示半导体制冷片两端的电压和电流大小以及冷热端温度的高低，在演示赛贝克效应能够清楚地显示温差电动势和电流的大小以及温度的高低，在此基础上，还可以演示热机、制冷机、热力学第一定律和第二定律等热力学基本原理和规律。

图1是本实用新型的外部结构示意图。灯座10和灯泡11位于长方形壳体2顶部的左上端，灯座10可放置于适于观察的部位，也可拆卸放置。盖板1位于壳体2顶部的右端，在壳体2的前部，左上端是伏特表9，左下端是安培表8，右上端是低温显示模块3，其下面是高温显示模块5，右下端是赛贝克效应开关6和帕尔贴效应开关7，在壳体2右侧面有进风口4。图2是本实用新型的结构剖面示意图。半导体制冷片15、锥形铝杯12用保温材料13保温后与散热器16通过长螺钉17紧固为一体并固定于壳体2内。薄膜电阻加热器19和绝热块20通过短螺钉18与散热器紧固为一体。在铝杯12的底部和散热器16顶部与半导体制冷片15接触的部位安装有热电偶14。半导体制冷片15可选择最大温差电流3.0A、工作电压12V、制冷功率20W以上的任何TEC1型号的半导体制冷片。灯泡11的规格为3.8V、0.02～0.3A。开关电源23固定于外壳2的左侧面，其下面安装有一风扇22，外壳的侧面有进风口4和出风口21。开关电源23将交流电转换为12V、1～3A的直流电。

                               附图说明

图1是本实用新型的外部结构示意图。

图2是本实用新型的结构剖面示意图。

图3是本实用新型的电路原理图。

在图中：1-盖板；2-壳体；3-低温显示模块；4-进风口；5-高温显示模块；6-赛贝克效应开关；7-帕尔贴效应开关；8-安培表；9-伏特表；10-灯座；11-灯泡；12-铝杯；13-保温材料；14-热电偶；15-半导体制冷片；16-散热器；17-长螺钉；18-短螺钉；19-薄膜电阻加热器；20-绝热块；21-出风口；22-风扇；23-开关电源。

                             具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。

如附图2、图3所示，首先给锥形铝杯12注入自来水，盖上盖板1。接入市电，经开关电源22转换为12V、1～3A的直流电。

演示赛贝克效应：关闭帕尔贴效应开关7，接通赛贝克效应开关6，薄膜电阻加热器18开始加热，通过导热作用将热量经散热器16传递给半导体制冷片15的热端。铝杯12由于内部盛有自来水而保持较低的温度，通过导热作用使半导体制冷片15的冷端也保持较低的温度。半导体制冷片15的上下端面以及散热器16与薄膜电阻加热器18之间均涂有一层导热硅酯，使得散热器16的顶部温度、铝杯12的底部温度分别与半导体制冷片15的热端和冷端温度基本相等，因此，半导体制冷片15冷热端的温度可以通过热电偶14经过低温显示模块3和高温显示模块5显示出来，此时可以随时动态显示半导体制冷片15冷热端的温度，进而计算出具体温差的数值，同时还可避免热端的加热温度过高。随着半导体制冷片15冷热端温差的逐渐建立，灯泡11也逐渐亮起来，灯泡11两端的电压值由伏特表9读出，流过的电流值由安培表8读出。调整控制开关6使半导体制冷片15的热端温度不超过100℃，铝杯12中的自来水可以随时更换，使半导体制冷片15的冷端保持相对较低的温度，此时保持一定的温差，通过灯泡11的亮度变化，可以清楚地演示半导体制冷片15的赛贝克效应。赛贝克效应演示完毕后开启风扇22，直至高温显示模块5的温度降低到50℃以下时可结束该实验过程。

演示帕尔贴效应：卸下灯座10和灯泡11，关闭赛贝克效应开关6，接通帕尔贴效应开关7，开关电源22给半导体制冷片15输入直流电，半导体制冷片15的冷端开始制冷，热端开始放热。锥形铝杯12中放入适量自来水吸收半导体制冷片15冷端的冷量；同时启动风扇22，将半导体制冷片15热端的热量通过散热器16排出。半导体制冷片15两端的电压值由电压表9读出，通过的电流值由安培表8读出，半导体制冷片15的冷热端温度通过热电偶14经过低温显示模块3和高温显示模块5显示出来，由此计算出具体的温差值。调整控制开关7使半导体制冷片15的热端温度不超过100℃，铝杯12中的自来水保持少量时制冷效果更好，此时半导体制冷片15的帕尔贴效应清晰地演示出来。帕尔贴效应演示完毕后应一直开启风扇22，直至高温显示模块5的温度降低到50℃以下时可结束该实验过程。

在演示赛贝克效应的同时，也演示着热机的基本原理，即半导体制冷片15从高温热源(薄膜电阻加热器18)吸收热量，对外做功(灯泡11发亮，电功)，同时对低温热源(铝杯12)放热。热机效率的高低，取决于对外做功的大小与吸收热量的多少的比值。

在演示赛贝克效应的同时，也演示着热力学第一定律的基本原理，即半导体制冷片15对外做功(灯泡11发亮，电功)的多少等于半导体制冷片15两端从高温热源(薄膜电阻加热器18)吸收的热量与向低温热源(铝杯12)放出的热量的差值。当半导体制冷片15两端的温度相同时，即温差为零时，半导体制冷片15变成单一热源，安培表8和伏特表9读数为零，灯泡11不亮，说明没有电功产生，即满足热力学第二定律的开尔文说法。

在演示帕尔贴效应的同时，也演示了制冷机的基本原理，即半导体制冷片15向低温热源(铝杯12)输出冷量，同时必须消耗功(开关电源22提供电功)，并且向高温热源(散热器16)排出热量。

本实用新型优点和有益效果在于采用半导体制冷片作为热电效应的转换模块，结构简单，操作方便，能够很好地演示赛贝克效应和帕尔贴效应，并且还可以演示热机、制冷机、热力学第一定律和第二定律等热力学基本原理和规律。

Claims (6)

1.半导体热电效应教学演示仪，由盖板(1)、壳体(2)、低温显示模块(3)、高温显示模块(5)、安培表(8)、伏特表(9)、灯座(10)、灯泡(11)、开关(6、7)、半导体制冷片(15)、铝杯(12)、散热器(16)、热电偶(14)、薄膜电阻加热器(19)、风扇(22)、开关电源(23)组成，其特征在于灯座(10)和灯泡(11)置于壳体(2)的顶部，半导体制冷片(15)、铝杯(12)用保温材料(13)保温后与散热器(16)通过长螺钉(17)紧固为一体并固定于壳体(2)内，薄膜电阻加热器(19)和绝热块(20)通过短螺钉(18)与散热器紧固为一体，在铝杯(12)的底部和散热器(16)的顶部与半导体制冷片(15)接触的部位安装有热电偶(14)。

2.按照权利要求1所述的半导体热电效应演示仪，其特征在于所述开关电源(23)将交流电转换为12V、1～3A的直流电。

3.按照权利要求1所述的半导体热电效应演示仪，其特征在于所述半导体制冷片(15)可选择最大温差电流3.0A、工作电压12V、制冷功率20W以上的任何TEC1型号的半导体制冷片。

4.按照权利要求1所述的半导体热电效应演示仪，其特征在于所述灯泡(11)的规格为3.8V、0.02～0.3A。

5.按照权利要求1所述的半导体热电效应演示仪，其特征在于所述灯座(10)放置在壳体(2)的顶部，也可以放置在其它部位，也可拆卸放置。

6.按照权利要求1所述的半导体热电效应演示仪，其特征在于所述铝杯(12)的底部有一放水阀门。

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