Termogenerator półprzewodnikowy - badanie zjawiska Seebecka

Zjawisko termoelektryczne, które badaliśmy polega na powstaniu efektów elektrycznych pod wpływem procesów termicznych i nazywane jest efektem Seebecka. Dokładniej mówiąc zjawisko to polega na powstawaniu przepływu prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym utworzonym z dwóch różnych metali lub półprzewodników, których styki maja różne temperatury. Połączenie dwóch różnych metali lub półprzewodników powoduje powstanie na ich styku kontaktowej różnicy potencjałów. Zależy ona od temperatury, więc jeżeli obydwa styki są w tej samej temperaturze, różnica potencjałów wynosi 0 i prąd nie płynie. Jeżeli natomiast styki mają różną temperaturę, powstaje siła termoelektryczna i płynie prąd. Siła ta (U) zależy od wykorzystanych materiałów i jest proporcjonalna do różnicy temperatur (∆T) obu styków.

U = α*∆T

gdzie α nosi nazwę współczynnika Seebecka.

Celem naszego ćwiczenia jest zbadanie efektu Seebecka tzn. wyznaczenie współczynnika α oraz oporu wewnętrznego termogeneratora. W naszym doświadczeniu jedną stronę termogeneratora ogrzewamy i mierzymy temperaturę T_G, drugą zaś chłodzimy i także mierzymy temperaturę T_C. poszczególne pomiary temperatur, ich różnicę oraz napięcie wywołane tą różnicą przedstawione są w tabeli 1.

Po wykonaniu tych pomiarów zanotowaliśmy temperaturę T_G oraz T_C i zmieniając natężenie prądu płynącego w obwodzie i notowaliśmy spadek napięcia U_R . Wyniki tych pomiarów znajdują się w tabeli 2.

Robimy to po to aby wyznaczyć opór Termogeneratora, który jak każde rzeczywiste źródło napięcia posiada pewien opór wewnętrzny.

Tabela 1.

Pomiar co 5st.C	TG [K]	TC [K]	∆T = TG-TC [K]	U[V]
-	-	-	0	0
30	302	296,1	5,9	0,3
35	305	296,5	8,5	0,5
40	308	296,9	11,1	0,7
45	313	297,5	15,5	0,9
50	319	298,4	20,6	1,1
55	323	299,2	23,8	1,3
60	328	300	28	1,5
65	333	300,8	32,2	1,8
70	337	301,5	35,5	2,0

Tabela 2.

I[A]	UR[V]
0,06	1,7
0,1	1,6
0,14	1,5
0,18	1,3
0,22	1,2
0,26	1,1
0,3	0,9
0,34	0,8
0,38	0,7
0,42	0,5
0,46	0,4
0,5	0,2

Wykres 1.

Wykres 2.

Posługując się programem komputerowym „OPRA”, na podstawie wykonanych pomiarów obliczyliśmy współczynniki a i b dla prostych będących wykresami tych zależności.

Dla wykresu 1.

równanie y=ax

a = 0,054

∆a = 0,0015

Współczynnik korelacji = 0,99712

Dla wykresu 2.

równanie y=ax+b

=

a = -3,38

∆a = 0,0687

b = 1,9388 [V]

∆b = 0,0214 [V]

Współczynnik korelacji = 0,99794

Obliczenie współczynnika Seebecka

∆ α =

α = 0,0038

∆ α = 0,00001

Opór wewnętrzny termogeneratora r_w

r_w = -a

∆ r_w =

r_w = 3,38

∆ r_w = 0,0687

Obliczenie napięcia nieobciążonego U

U = b

∆U =

U = 1,9388 [V]

∆U = 0,0214 [V]

Wyniki obliczeń

Współczynnika Seebecka α = 0,0038 ± 0,00001

Opór wewnętrzny termogeneratora r_w = 3,38 ± 0,0687

Napięcie nieobciążone U = 1,9388 ± 0,0214 [V]

Wnioski

Podczas drugiej serii pomiarów (spadku napięcia prądu w skutek zwiększania natężenia) temperatura chłodzonej części termopary wzrosła co świadczy o tym, że oprócz efektu Seebecka wystąpiło także zjawisko Peltiera (w wyniku przepływu prądu jeden ze styków ogrzewa się a drugi ochładza). Mogło to nieznacznie wpłynąć na wyniki pomiarów. Współczynnik korelacji obydwu prostych na naszych wykresach są zbliżone do 1 zatem pomiary naprawdę leżą na jednej wspólnej prostej. Współczynnik Seebecka jest dużo mniejszy od 1 zatem aby wytworzyć duże napięcie należy wytworzyć bardzo dużą różnicę temperatur na końcach półprzewodników. Dla przykładu aby wytworzyć napięcie 1,5 V (takie jak w baterii AA) należy dostarczyć różnicę temperatur ok. 70 C

---