Cwicz2-elementytermoelektryczne

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->LaboratoriumInżynierii MateriałowejDwiczenie 2. Elementy termoelektryczneKatedra Optoelektroniki iSystemówElektronicznych, WETI,Politechnika GdaoskaGdaosk 2006Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczne1. CEL DWICZENIACelem dwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami i podstawowymi charakterystykami elementówwykorzystujących zjawiska termoelektryczne.2. ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNEZjawiskami termoelektrycznymi nazywamy grupę zjawisk fizycznych, w których występuje zależnośd pomiędzyprocesami cieplnymi i elektrycznymi zachodzącymi w obwodach elektrycznych złożonych z jednorodnych (zjawiskoThomsona) bądź różnorodnych (zjawisko Seebecka i zjawisko Peltiera) przewodników lub półprzewodników. Spośródwielu zjawisk tej grupy omówione zostaną trzy zjawiska (rys. 1), które są podstawą działania elementów badanych wtrakcie dwiczenia.Rys. 1. Zjawiska termoelektryczne: a) Seebecka b) Peltiera c) Thomsona.Zjawisko Seebeckaodkryte w 1821 roku przez fizyka niemieckiego Th. J. Seebecka, polega na powstawaniu siłyelektromotorycznej (nazywanej niekiedy siłą termoelektryczną lub termoelektromotoryczną) w obwodzieelektrycznym utworzonym z dwóch różnych przewodników (termoelemencie). W małym zakresie temperaturwartośd siły termoelektry-cznejejest proporcjonalna do różnicy temperatur spojeo: gorącegoT2i zimnegoT1iwyraża się wzorem:e(T2T1)(1)Gdziejest współczynnikiem termoelektrycznym nazywanym czasami zdolnością termoelektryczną względnąmateriałów termoelementu. Wartośd tego współczynnika zależy od rodzaju przewodników oraz od zakresutemperatur w jakim pracuje termoelement.Współczynniki termoelektryczne wszystkich metali i stopów spełniają następujące twierdzenie: Jeżeli współczynnikitermoelektryczne termoelementów wykonanych z materiałów A i B oraz B i C wynoszą odpowiednioABiBCtowspółczynnik termoelektryczny termoelementu wykonanego z elementów A i CA Cjest równyAB-BC. Ta zależnośdpozwala na obliczanie współczynnika termoelektrycznego dowolnego termoelementu na podstawie danychwspółczynników termoelektrycznych jego materiałów względem materiału odniesienia, którym przeważnie jest ołów(Pb). W tablicy 1 podano wartości współczynnika termoelektrycznego dla wybranych materiałów względem ołowiudla temperatur 0 - 100 C.Laboratorium Inżynierii MateriałowejKatedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika GdańskaStrona | 2Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczneZjawisko Peltieraodkryte w roku 1834 przez francuskiego fizyka J. Ch. Peltiera polega na pochłanianiu ciepła najednym ze spojeo i wydzielaniu go na drugim pod wpływem przepływającego przez obwód prądu. Ilośdtransportowanego ciepła zależy od materiałów złącza, jego temperatury i gęstości prądu. Przyczyną występowaniazjawiska Peltiera jest to, że średnia energia elektronów uczestniczących w przewodzeniu prądu zależy od strukturypasmowej materiału, koncentracji elektronów oraz mechanizmu ich rozpraszania i dlatego jest różna w różnychprzewodnikach. Przy przejściu z jednego przewodnika do drugiego elektrony albo oddają nadmiar energiiotaczającym je atomom, albo uzupełniają niedobór energii ich kosztem (w zależności od kierunku prądu). Wpierwszym wypadku w pobliżu styku ciepło Peltiera jest wydzielane, a w drugim - pochłaniane.Moc pochłaniana przez styk zimnyQjest proporcjonalna do natężenia prąduIprzepływającego przez styk,współczynnika termoelektrycznegozależnego od rodzaju stykających się materiałów oraz temperaturybezwzględnejT1styku zimnego:QT1I(2)Przy przepływie prądu w zamkniętym obwodzie utworzonym z dwóch przewodników jeden z kontaktów nagrzewasię, drugi - ochładza. Maksymalna różnica temperatur jest ograniczona właściwościami materiałów i jest równa:2T2T12(3)gdzie - współczynnik przewodzenia ciepła, - rezystywnośd (średnia arytmetyczna rezystywności materiałów), T= T2- T1- różnica temperatur styków gorącego i zimnego.Zjawisko Thomsonaodkryte w 1856 roku przez W. Thomsona polega na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła wjednorodnym przewodniku, przez który płynie prąd elektryczny (o natężeniuI)i którego kooce znajdują się w różnychtemperaturach (T2i T1). W pierwszym przybliżeniu można przyjąd, że zjawisko to jest powodowane transportemciepła przez elektrony. Gdy elektrony tworzące prąd elektryczny przepływają od gorącego kooca przewodnika dozimnego to zwiększają swoją energię na koocu gorącym kosztem energii drgao atomów sieci krystalicznej materiału,a następnie oddają ją sieci krystalicznej na koocu zimnym. Gdy zaś elektrony płyną od kooca zimnego do gorącego, topobierają one energię po dotarciu na koniec gorący.W metalach wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgao atomów będących węzłami sieci krystalicznejco powoduje zwiększenie rozpraszania swobodnych elektronów. Wzrost rozpraszania jest równoznaczny zewzrostem rezystywności materiału.Należy pamiętad, że w elementach termoelektrycznych, które będą badane w trakcie dwiczenia, oprócz zjawiskopisanych powyżej występują jeszcze inne, nie opisane tu zjawiska fizyczne takie jak przewodzenie i promieniowanieciepła oraz wydzielanie się ciepła Joule'a - Lenza.3. ELEMENTY TERMOELEKTRYCZETermoparyLaboratorium Inżynierii MateriałowejKatedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika GdańskaStrona | 3Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczneJednymi z najbardziej popularnych termoelementów, w których wykorzystuje się zjawisko Seebecka są termopary.Termoparąnazywamy element składający się z dwóch różnych metali lub stopów połączonych ze sobą przy pomocylutowania, spawania lub skręcania.Gdy złącze termopary znajduje się w innej temperaturze niż jej kooce (zwane też koocami zimnymi) to pomiędzynimi wytwarza się siła termoelektryczna. Na rys. 2 przedstawiono przykładowe charakterystyki typowych termopar.Termopary są stosowane głównie jako czujniki służące do pomiaru temperatury w zakresie od -200 C do 2500 C wprzemysłowych i laboratoryjnych systemach pomiaru temperatury. Ich podstawowe zalety to: duża dokładnośdpomiaru i powtarzalnośd wyników, elektryczny sygnał wyjściowy (jest to szczególnie istotne w elektronicznychukładach regulacji i kontroli), duży zakres mierzonych temperatur, powszechna dostępnośd oraz precyzyjneokreślenie parametrów termopar poprzez normy krajowe i międzynarodowe. Mimo, że sama idea pomiaru jestprosta to przeprowadzenie pomiarów z dokładnością większą niż 1 C jest rzeczą trudną. Szczególnie trudnymi dospełnienia są wymagania dotyczące drutów, z których wykonuje się termopary. Powinny charakteryzowad się oneregularną strukturą krystaliczną i brakiem naprężeo. W związku z tym drutów takich nie wolno wyginad, a jeśli jest toniezbędne, promieo gięcia powinien byd jak największy. Termopary należy także zabezpieczad przed wpływamiośrodka w którym pracują ponieważ w niektórych przypadkach może dojśd do ich zniszczenia lub wydatnegopogorszenia parametrów na skutek reakcji materiałów termopar z otoczeniem.W praktyce przemysłowej do opisu typu termopary stosuje się znormalizowane oznaczenia literowe (Tablica 2), takwięc np. termopara Alumel-Chromel jest termoparą typu K.Rys. 2. Zależnośd siły termoelektrycznej wybranych termopar od temperaturyIstnieją jeszcze inne zastosowania termopar: w detektorach podczerwieni, miernikach próżni itp. ale wielkościąmierzoną jest w tych przypadkach temperatura.Laboratorium Inżynierii MateriałowejKatedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika GdańskaStrona | 4Ćwiczenie 2. Elementy termoelektryczneTermoelektryczny moduł chłodzącyElementem wykorzystującym zjawisko Peltiera jest termoelektryczny moduł chłodzący zwany również elementemPeltiera. Widok jego przekroju poprzecznego przedstawiono na rysunku 4.Rys. 4. Przekrój poprzeczny termoelektryczneego modułu chłodzącego.Z punktu widzenia konstruktora termoelektryczny moduł chłodzący jest pompą cieplną, która po doprowadzeniu doniej pewnej mocy przepompowuje ciepło w kierunku zależnym od kierunku prądu. Może on zatem pełnid zarównorolę elementu chłodzącego jak i elementu ogrzewającego. Ma to duże znaczenie dla prostoty systemów kontrolitemperatury, ponieważ nie trzeba stosowad oddzielnych elementów grzejnych i chłodzących.Do jego wytwarzania używa się specjalnych materiałów półprzewodnikowych, takich jak tellurek i selenek bizmutuBi2Te3oraz Bi2Se3domieszkowanych antymonem. Materiały te uzyskuje się w procesie kierunkowej krystalizacji lubmetalurgii proszków otrzymując polikrystaliczny materiał półprzewodnikowy o bardzo silnym efekcie Peltiera i bardzosłabym przewodnictwie cieplnym (co jest nie mniej ważną cechą termoelektrycznego modułu chłodzącego) w postaciprostopadłościennych kostek (wlewków), które lutuje się do miedzianych mostków. Na powstałą w wyniku lutowaniakonstrukcję z obu stron nakleja się ceramiczne płytki, spełniające rolę elementów nośnych i usztywniających.Termoelektryczny moduł chłodzący był początkowo stosowany jedynie w technice wojskowej i kosmicznej, zewzględu na swoją wysoką cenę. Postęp, jaki dokonał się w inżynierii materiałowej spowodował znaczne obniżenieceny tego elementu, a tym samym rozszerzenie zakresu zastosowao. Obecnie jest on stosowany między innymi woptoelektronice, jako element chłodzący lasery półprzewodnikowe, w medycynie oraz w aparaturze laboratoryjnej,chłodzeniu urządzeo elektroniki przemysłowej, czy też w przenośnych lodówkach i chłodziarkach do wina lub piwa.W porównaniu z urządzeniami chłodniczymi działającymi w oparciu o zjawiska sprężania lub absorpcjitermoelektryczne moduły chłodzące mają następujące zalety:1. Pompują znacznie większy strumieo ciepła.2. Są bezpieczne dla środowiska ze względu na brak cieczy lub gazów roboczych oraz elementów ruchomych.3. Nie wytwarzają drgao mechanicznych ani zakłóceo elektrycznych.4. Są bardzo niezawodne. Średni czas pracy do uszkodzenia wynosi ponad 20 lat.Laboratorium Inżynierii MateriałowejKatedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika GdańskaStrona | 5 [ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

pees.xlx.pl