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      神奇的溫差電現(xiàn)象

      2024-01-19 21:01:45鐘陽春
      科學大觀園 2024年2期
      關(guān)鍵詞:塞貝克內(nèi)能電動勢

      鐘陽春

      一杯熱水和一杯冷水就能發(fā)電,你相信嗎?

      1821年,德國物理學家塞貝克發(fā)現(xiàn)了溫差電現(xiàn)象,這一現(xiàn)象又稱塞貝克效應。塞貝克效應又稱作第一熱電效應,是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。一般規(guī)定熱電勢方向為:在熱端電子由負流向正。

      在兩種金屬A和B組成的回路中,如果使兩個接觸點的溫度不同,則在回路中將出現(xiàn)電流,稱為熱電流。相應的電動勢稱為熱電勢,其方向取決于溫度梯度的方向。

      塞貝克效應的成因可以簡單解釋為,在溫度梯度下導體內(nèi)的載流子從熱端向冷端運動,并在冷端堆積,從而在材料內(nèi)部形成電勢差,同時在該電勢差作用下產(chǎn)生一個反向電荷流,當熱運動的電荷流與內(nèi)部電場達到動態(tài)平衡時,半導體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動勢,半導體的溫差電動勢較大,可用作溫差發(fā)電器。

      根據(jù)溫差電原理制作的溫差電偶,作為電源可以輸出穩(wěn)定的電流,不僅可以帶動小型電動機,還可以點亮LED小燈泡。你想做一個這樣的溫差發(fā)電機嗎?接下來請跟著本文一起實驗吧。

      溫差電現(xiàn)象對熱電偶來說是一種可逆的電能內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)換效應,冷熱水溫差電機演示了內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。

      如圖所示,由兩種不同的金屬連接構(gòu)成的閉合回路,若兩連接點的溫度不同,則可在回路中形成穩(wěn)定的電流,也就是說,電路內(nèi)存在溫差電動勢,這就是由內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象。本實驗是利用以半導體材料為工作導體的熱電偶(溫差發(fā)電片),在外界存在一定的溫度差時,電路中將產(chǎn)生能驅(qū)動小電機和點亮LED小燈泡的電流。小電機轉(zhuǎn)動和LED小燈泡發(fā)光,直觀地演示了內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象。

      溫差發(fā)電片、導熱膏、金屬盒、導線、電動機、LED小燈泡、樂高積木、USB接口、熱熔膠、冷水、熱水。

      實驗操作:

      1.固定溫差發(fā)電片。將溫差發(fā)電片的兩側(cè)均勻地涂上導熱膏,把溫差發(fā)電片貼在兩金屬盒的側(cè)面,注意溫差發(fā)電片的黑色導線在上方。

      2.連接電路。用導線將溫差發(fā)電片與電動機相連,并將扇葉固定到電機軸上。

      3.制作支架。用樂高積木(或木塊)制作一個支架,用于固定電動機和USB接口。

      4.固定電動機和USB接口。 用熱熔膠把電動機和USB接口固定在積木支架上,注意兩者的距離不要太近。

      5.加入冷水和熱水。先往溫差發(fā)電片的右側(cè)金屬盒內(nèi)加入冷水,再往左側(cè)金屬盒內(nèi)加入剛燒開的熱水,可以看到扇葉開始轉(zhuǎn)動,并且可以持續(xù)半個小時左右。

      6.將溫差發(fā)電片與電動機相連的導線拆下,改與USB接口的接線柱相連,再將LED小燈泡接入USB接口,可以看到LED小燈泡發(fā)光了,并且可以持續(xù)半個小時左右。

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