珀尔帖效应与塞贝克效应综合演示仪

陈文娟，薛德宽，黄兴洲，位浩杰，刘 冰

(中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

温差半导体材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，目前温差半导体是一个热门的研究方向，这归因于该类材料具有特殊的一种热电效应:即由温差可引起的电效应和由电流可引起的热效应［1］。前者是1823年德国物理学家赛贝克首次发现的，称为塞贝克效应，对应的技术应用为半导体温差发电;后者是1834年德国物理学家珀尔帖发现的，称为珀尔帖效应，对应的技术应用为半导体制冷。对温差半导体而言，其自身存在着两种工作过程相反的珀尔帖效应和塞贝克效应，这两种效应互为逆效应。在理论教学中，需要通过演示仪器让学生能直观认识珀尔帖效应与塞贝克效应，但传统的演示仪只能单一演示珀尔帖效应或塞贝克效应，不能够直观演示两种效应互为逆效应的现象。利用温差半导体设计了一种珀尔帖效应与塞贝克效应综合演示仪，实现了同一台仪器演示两种效应的功能，具有操作简单、现象直观的特点。

1 实验原理

1．1 珀尔帖效应原理

珀尔帖效应是指在不同导体间的结点处，有电流流过时会产生吸热和放热现象，这种现象可以用载流子在流过结点时势能的变化来解释［2］，半导体制冷技术即是利用半导体材料的珀尔帖效应来实现的。如图1为半导体制冷(热)的原理图，它是由1个P型半导体、1个N型半导体和3块金属板构成，当加上图1所示的电压后，P型半导体中的空穴由正极流向负极，金属板中的空穴进入P型半导体时势能变大，空穴越过势垒吸热，金属板变冷;P型半导体中的空穴进入金属板时势能变小，放出热量，金属板变热。N型半导体中的电子由负极流向正极，金属板中的电子进入N型半导体时势能变大，电子越过势垒吸热，金属板变冷;N型半导体中的电子进入金属板时势能变小，放出热量，金属板变热［3］。

图1 珀尔帖效应原理图

1．2 塞贝克效应原理

塞贝克效应与珀尔帖效应原理相反，它是把热能转化为电能［4］。金属导体与半导体一般具有不同的自由电子密度，当金属导体与半导体相互接触时，接触面上的电子会发生扩散现象以消除电子密度的差异，而电子的扩散速率与金属导体与半导体的温差成正比，所以只要如图2在金属导体与半导体之间建立适当的温差，就能使电子持续扩散产生电压［5-6］。

图2 塞贝克效应原理

2 实验装置结构设计

图3为本装置原理框图。图4为装置结构图。图5为装置实物图。电源装有换向开关，打到制冷模式时，温度控制器控制制冷电路，电压表和电流表显示温差半导体工作电压电流，温度传感器采集温度，分别反馈给温度控制器和电脑［7］;打到发电模式时，电源给电表供电，电压表与温差半导体串联显示发电电压，电流表与温差半导体并联显示发电电流。

图3 装置原理框图

图4 装置结构图

图5 装置实物图

2．1 半导体制冷模块设计

本装置采用SP1848-27145温差半导体，其规格为40 mm长*40 mm宽*3．4 mm厚，内含126对PN结，工作电压为12 V。温差半导体工作时必须装有散热装置，本装置采用了风扇散热，具体如图4在SP1848-27145温差半导体的热端装配50 mm长*50 mm宽*60 mm高的宝塔型散热片，并在连接面涂有导热硅脂，风扇安装在仪器内的通风口处［8-9］。如图4温差半导体的冷端装有DS18B20温度传感器实时采集制冷温度，并把温度值传送到WH7016M温度控制器和电脑，WH7016M温度控制器控制制冷温度保持在设定的温度区间，电脑上用LabVIEW软件实时显示制冷温度曲线，并且采用YB5135D三位半LCD液晶数显电压表和电流表实时显示工作电压和电流。

2．2 温差发电模块设计

SP1848-27145温差半导体与YB5135D三位半LCD液晶数显电流表串联，与YB5135D三位半LCD液晶数显电压表并联，SP1848-27145温差半导体装在仪器的上表面，方便对其一端加热，另一端则装配50 mm*60 mm*50 mm的宝塔型散热片，并在连接面涂有导热硅脂，以保持两端的温差。

2．3 温度图形化显示模块设计

图6是用LabVIEW软件设计的程序框图，利用LabVIEW软件的VISA功能，安装第三方的DB18B20温度传感器的驱动程序后，通过USB接口接收DB18B20温度传感器采集的温度值［10］，运行程序，即可在虚拟的仪器面板上通过波形图表显示温度变化曲线，实现了温度变化的可视性。

图6 LabVIEW程序框图

3 实验操作

3．1 珀尔帖效应演示

装置工作时，接通电源，换向开关打到制冷模式，设定WH7016M温度控制器的控制温度上下限，SP1848-27145温差半导体开始工作制冷，电压表和电流表显示工作电压和电流，DS18B20温度传感器实时采集制冷温度，并把温度值传送到WH7016M温度控制器和电脑。制冷温度达到设定温度的下限时控制器断开电源，停止制冷，温度回升，达到设定温度的上限时，控制器接通电源，开始制冷，这样就能使制冷温度保持在设定的温度区间。图7为在室温(17℃)下测得的温差半导体制冷温度部分变化曲线，由此可定量计算气体中水分与温度、相对湿度、露点的关系［11］。

图7 LabVIEW面板图

3．2 塞贝克效应演示

换向开关打到发电模式演示塞贝克效应，在发电温差半导体一侧加热时，在电压表和电流表上可看到发电的电压和电流，电压电流与温差半导体两端温差成正比。演示时可以用一杯热水或者直接用手掌贴在加热端面，方便课堂教学。表1为用手掌贴在加热端面时，温差发电测量数据。

表1 温差发电测量数据

4 结 论

本演示仪综合演示了珀尔帖效应和塞贝克效应，利用WH7016M温度控制器控制制冷温度，LabVIEW软件在电脑上显示温度变化曲线，显示模块显示工作电流和电压;利用塞贝克效应发电时，显示模块显示发电电压和电流;将本装置应用于大学物理实验教学，对提高学生直观认识珀尔帖效应与塞贝克效应有着积极的意义，在培养学生创新思维方面取得了较好的效果［12］。

［1］ 叶剑锋．半导体温差发电系统研究及电热式试验台设计［D］．北京:北京交通大学，2012:77-84．

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