王 婷，田俊紅

(蘭州交通大學(xué)數(shù)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

實(shí)驗(yàn)研究銅鐵熱電偶的溫差與電勢(shì)

王 婷，田俊紅

(蘭州交通大學(xué)數(shù)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讓學(xué)生理解熱電偶的工作原理、并將自己制作的熱電偶進(jìn)行定標(biāo)，從而加深對(duì)溫差與電勢(shì)理論知識(shí)的理解。通過常見的銅鐵兩種不同金屬材料可制作實(shí)物演示溫差電現(xiàn)象。將熱學(xué)和電學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，把非電量溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的測(cè)量。不但直觀準(zhǔn)確地演示了塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)，同時(shí)也拓展了學(xué)生的知識(shí)面，滿足了學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)心當(dāng)代工業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重新認(rèn)識(shí)。

溫差電勢(shì)；熱電偶; 金屬材料(銅與鐵)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

溫差發(fā)電現(xiàn)象最早是在金屬中發(fā)現(xiàn)的，對(duì)大多數(shù)金屬，這種效應(yīng)極為微弱[1-2]，因此在目前傳統(tǒng)的普通物理實(shí)驗(yàn)中沒有真正得到重視。本文把金屬材料的熱電勢(shì)運(yùn)用到普通物理實(shí)驗(yàn)中，與溫差熱電偶的實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)，使學(xué)生對(duì)溫差電現(xiàn)象有一個(gè)全面的直觀認(rèn)識(shí)和了解。給出了制作及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，介紹了應(yīng)用過程，可通過制作實(shí)物直觀地顯示并測(cè)量?jī)煞N不同金屬材料銅與鐵之間的“溫差-電勢(shì)”和“溫差-電流”的關(guān)系。培養(yǎng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析問題及動(dòng)手的綜合能力，從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。

1 原 理

兩種不同材料金屬間的溫度差會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電流通過一個(gè)電路(塞貝克效應(yīng))；當(dāng)電流流過電路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)導(dǎo)致兩種不同材料的金屬之間產(chǎn)生溫度差(帕爾貼效應(yīng))[3-4]，如圖1所示。

溫差電效應(yīng)(又稱熱電效應(yīng))是一切由電流引起的熱效應(yīng)和由溫差引起的電效應(yīng)的總稱。塞貝克效應(yīng)，是熱能轉(zhuǎn)換為電能的基本原理。將兩種不同導(dǎo)體A和B組成一個(gè)閉合回路(構(gòu)成一個(gè)熱偶)，若兩個(gè)接頭的溫度T1和T2不同(T1>T2)，即存在溫差ΔT時(shí)，則在導(dǎo)體A的開路位置x和y之間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)Exy，這個(gè)現(xiàn)象叫作塞貝克效應(yīng)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)Exy即為塞貝克電動(dòng)勢(shì)，其值非常小。帕爾貼效應(yīng)是通過在熱電器件回路施加電壓以產(chǎn)生電流，從而在其兩端產(chǎn)生溫差，再通過換熱手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)冷端的降溫或?qū)岫说募訜峁δ?。如圖2所示，產(chǎn)生這種電流的電動(dòng)勢(shì)與節(jié)點(diǎn)溫差和材料的熱電性質(zhì)有關(guān)[5-6]。

圖1 塞貝克效應(yīng)示意圖

圖2 帕爾貼效應(yīng)示意圖

2 器材與方法

2.1 器材

通常選用材料有銅絲、鐵絲以及AD620放大器、金屬膜電阻、玻璃杯、電烙鐵、溫度計(jì)、數(shù)字電壓表、馬達(dá)、指南針和發(fā)光二極管等。

設(shè)計(jì)制作的發(fā)電部分采用自制銅鐵溫差熱電偶并用熱水杯和室溫形成溫度差；放大部分根據(jù)不同的放大倍數(shù)可將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大；顯示部分采用多支紅色發(fā)光二極管并聯(lián)拼成一定的圖案，焊接在電路板上，并把該板立放在支架上，以便觀察，測(cè)量裝置如圖3所示。測(cè)量部分采用數(shù)字毫伏表(圖中顯示為熱電勢(shì))和萬用表自代的數(shù)字溫度計(jì)(圖中顯示為溫度)進(jìn)行顯示。

圖3 演示儀照片

2.2 設(shè)計(jì)思想

溫差發(fā)電就是塞貝克效應(yīng)的應(yīng)用，當(dāng)金屬材料銅與鐵首尾連接時(shí)，如果接點(diǎn)處的溫度不同，則將在回路中產(chǎn)生電流，如圖4所示，其中Th和Tc分別表示高溫端和低溫端的溫度，金屬棒兩端形成的電勢(shì)差就是塞貝克電動(dòng)勢(shì)，如圖5所示。由于兩端電勢(shì)差的存在，用導(dǎo)線連接金屬棒兩端使其形成閉合回路，則會(huì)有電流通過。雖然電流流動(dòng)會(huì)減少冷端電子的堆積，但溫度梯度的存在會(huì)使回路中產(chǎn)生持續(xù)的電流。因金屬材料的塞貝克系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)小，在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)引入了放大器[7-9]。

圖4 閉路狀態(tài)塞貝克效應(yīng)示意圖

圖5 開路狀態(tài)塞貝克效應(yīng)意圖示

2.3 結(jié)構(gòu)示意圖和框圖

電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示；實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示[10-11]。

圖6 電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖7的結(jié)構(gòu)框圖中，溫差發(fā)電裝置用于實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電；效果檢測(cè)部分用于演示溫差是否產(chǎn)生了電；熱電系數(shù)測(cè)量部分用于驗(yàn)證溫差與發(fā)電之間的數(shù)量關(guān)系。

圖7 結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)果與分析

3.1 塞貝克效應(yīng)

將兩根鐵導(dǎo)線和一根銅導(dǎo)線的端點(diǎn)用沙紙打磨后，用電烙鐵將銅導(dǎo)線的兩端分別與兩根鐵導(dǎo)線連接起來。將鐵導(dǎo)線的兩個(gè)非連接端分別接在數(shù)字電壓表的兩極。將數(shù)字電壓表的測(cè)量范圍設(shè)定成0～200 mV。在室溫下先測(cè)量電壓，然后用焊烙鐵慢慢靠近其中一個(gè)連接端；將溫度傳感器靠近兩個(gè)連接端，讀出電壓表與溫度傳感器的數(shù)據(jù)記入表1，并繪制“溫差-電壓”關(guān)系圖，如圖8所示。

表1 冷熱端溫度與對(duì)應(yīng)電壓數(shù)值表

圖8 溫差-電壓關(guān)系圖

3.2 帕爾貼效應(yīng)

與3.1節(jié)實(shí)驗(yàn)相同，將一根銅導(dǎo)線的兩端分別與兩根鐵導(dǎo)線的一端相連接；連接元器件組成串聯(lián)電路；調(diào)整直流電源，以使大約10 mA的電流流經(jīng)電路。將溫度傳感器靠近兩個(gè)連接端，讀出兩端各自的溫度，然后改變流經(jīng)電路的電流，監(jiān)控兩個(gè)連接點(diǎn)的溫度，數(shù)據(jù)記入表2。繪制每個(gè)連接點(diǎn)的“溫度-電流”關(guān)系圖或“溫差-電流”關(guān)系圖，如圖9所示。

表2 冷熱端溫度與對(duì)應(yīng)電流數(shù)值表

圖9 溫差-電流關(guān)系圖

4 結(jié)論與討論

表中測(cè)試數(shù)據(jù)是在室溫下，直接測(cè)試熱電偶兩端的溫差及產(chǎn)生的電勢(shì)，由于測(cè)試過程中沒有控制好溫度的變化，測(cè)試數(shù)據(jù)有一定的誤差。由表1測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在一定的誤差范圍內(nèi)，隨著溫差的增大，電壓也不斷升高。兩者之間基本上符合線性關(guān)系。

由于其產(chǎn)生的熱電勢(shì)不能使二極管發(fā)光，所以在熱電偶輸出端加了不同放大倍數(shù)的放大器。在演示效果電路時(shí)可根據(jù)時(shí)間選用不同放大倍數(shù)的放大器將微弱的電信號(hào)放大，然后把放大后的電勢(shì)溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置的兩個(gè)接線柱與電路板上的電源連接(注意正負(fù)極)。將電烙鐵靠近熱電偶工作端，加熱一段時(shí)間(加熱時(shí)間可根據(jù)放大倍數(shù)調(diào)整)就能看到發(fā)光二極管拼成的圖案發(fā)光。加熱時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)光越強(qiáng)。

該裝置還可演示溫差電效應(yīng)制冷過程(帕耳貼效應(yīng))。將熱電偶與直流電源及電流表串聯(lián)，熱電偶的兩端分別放入數(shù)字溫度計(jì)。調(diào)節(jié)電路中的電流可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)溫度計(jì)示數(shù)一個(gè)升高，一個(gè)降低，電流越大，溫差越大。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

5 結(jié)束語

在塞貝克效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)連接處的溫度差會(huì)導(dǎo)致通過電路產(chǎn)生電壓，并且隨著溫差增大，電路端電壓隨著增大；在帕爾貼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電流流經(jīng)電路時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線連接點(diǎn)處產(chǎn)生溫度差。

[1]孫志強(qiáng).溫差發(fā)電技術(shù)[J].中國博士后,2010(1):37-40.

[2]王風(fēng)躍.溫差電—— 一門古老而又年輕的科學(xué)[J].電子漫話,2002(2):77-78.

[3]許志建,徐行.塞貝克效應(yīng)與溫差發(fā)電[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2004,16(1): 41-42.

[4] 周子鵬.半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研制[DB/OL].(2011-7-23)[2011-8-15].http: ∥www.docin.com /p-107292807.html.

[5]頓中萬, 胡建昌.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置來研究溫差電動(dòng)勢(shì)[J].價(jià)值工程, 2016, 35(8):224-225.

[6]王玉鳳.一套簡(jiǎn)單實(shí)用的熱電偶實(shí)驗(yàn)裝置[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn), 1997(2):46-47.

[7]宋書中, 趙晨東, 付主木,等.一種可加熱并利用溫差發(fā)電回收余熱的無線鼠標(biāo):CN104007853A[P].2014-08-27.

[8]羅浩, 向澤英, 謝英英,等.電位差計(jì)測(cè)熱電偶電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)的拓展與應(yīng)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn), 2014, 27(5):60-63.

[9]劉永剛.半導(dǎo)體溫差發(fā)電特性分析及性能優(yōu)化控制研究[D].陜西：西安理工大學(xué), 2015.

[10] 于書海, 田華, 張?jiān)?等.溫差發(fā)電器的優(yōu)化結(jié)構(gòu):CN203554331U[P].2014-04-16.

[11] 曹銘, 黃菊花, 邵仕平,等.一種體溫充電電源裝置:CN103701185A[P].2014-04-02.

Study on Temperature Difference and Electric Potential of Copper and Iron Thermocouple by the Experimental

WANG Ting，TIAN Junhong

(School of Mathematical Physics,Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070)

To let the students understand the working principle of the thermocouple in the experiment, the thermocouple produced by their own is calibrated so as to deepen their understanding of temperature difference and the theoretical knowledge of electric potential.The common two kinds of different metallic materials of copper and iron can produce entity to demonstrate the thermoelectric phenomenon.By organically integrating the thermology and the electrology, we can convert the measurement of the non-electric temperature to the measurement of electric quantity.This experiment can not only intuitively and accurately demonstrate the Seebeck effect and Pearl post effect, but also expand the students’ knowledge, satisfy the curiosity of the students, guide students interested in contemporary industrial development, improve the students to re-understanding of experimental class.

thermoelectric potential ; thermocouple; metallic materials(copper and iron); experiment teaching

2015-10-24；修改日期:2015-11-08

蘭州交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目資助(2015236)。

王婷(1973-)，女，碩士，講師，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

O441

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.006