專利名稱：半導(dǎo)體熱電效應(yīng)教學(xué)演示儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種物理熱學(xué)方面的教學(xué)儀器，具體是指半導(dǎo)體熱電效應(yīng)教學(xué)演示儀。
背景技術(shù)：
熱電效應(yīng)是指由電流引起的熱效應(yīng)和溫差引起電效應(yīng)的總稱，一般包括帕爾貼效應(yīng)(Peltier)和賽貝克(Seebeck)效應(yīng)。當(dāng)電流通過兩種不同導(dǎo)體的節(jié)點(diǎn)時(shí)，在節(jié)點(diǎn)附近將產(chǎn)生溫度變化，一個(gè)節(jié)點(diǎn)變冷，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)變熱，即為帕爾貼效應(yīng)；當(dāng)兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中其兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中將會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，即為賽貝克效應(yīng)。目前，在物理和熱工教學(xué)中，熱電效應(yīng)沒有專門的儀器直觀地演示這些實(shí)驗(yàn)。對(duì)于帕爾貼效應(yīng)，一般是給半導(dǎo)體制冷片通以直流電，用手感知半導(dǎo)體制冷片冷端和熱端的溫度差別，這種方法盡管簡(jiǎn)單方便，但不能確定半導(dǎo)體制冷片兩端電壓、電流的大小以及冷熱端溫度的高低；對(duì)于賽貝克效應(yīng)，一般是用幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的金屬熱電偶構(gòu)成的簡(jiǎn)單裝置來演示，這種方法產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)太小，僅僅是毫伏級(jí)，效果不明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種半導(dǎo)體熱電效應(yīng)教學(xué)演示儀器，該儀器能演示帕爾貼效應(yīng)和賽貝克效應(yīng)，在演示帕爾貼效應(yīng)時(shí)能夠顯示半導(dǎo)體制冷片兩端的電壓和電流大小以及冷熱端溫度的高低，在演示賽貝克效應(yīng)能夠清楚地顯示溫差電動(dòng)勢(shì)和電流的大小以及溫度的高低，在此基礎(chǔ)上，還可以演示熱機(jī)、制冷機(jī)、熱力學(xué)第一定律和第二定律等熱力學(xué)基本原理和規(guī)律。
圖1是本實(shí)用新型的外部結(jié)構(gòu)示意圖。燈座10和燈泡11位于長(zhǎng)方形殼體2頂部的左上端，燈座10可放置于適于觀察的部位，也可拆卸放置。蓋板1位于殼體2頂部的右端，在殼體2的前部，左上端是伏特表9，左下端是安培表8，右上端是低溫顯示模塊3，其下面是高溫顯示模塊5，右下端是賽貝克效應(yīng)開關(guān)6和帕爾貼效應(yīng)開關(guān)7，在殼體2右側(cè)面有進(jìn)風(fēng)口4。圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。半導(dǎo)體制冷片15、錐形鋁杯12用保溫材料13保溫后與散熱器16通過長(zhǎng)螺釘17緊固為一體并固定于殼體2內(nèi)。薄膜電阻加熱器19和絕熱塊20通過短螺釘18與散熱器緊固為一體。在鋁杯12的底部和散熱器16頂部與半導(dǎo)體制冷片15接觸的部位安裝有熱電偶14。半導(dǎo)體制冷片15可選擇最大溫差電流3.0A、工作電壓12V、制冷功率20W以上的任何TEC1型號(hào)的半導(dǎo)體制冷片。燈泡11的規(guī)格為3.8V、0.02～0.3A。開關(guān)電源23固定于外殼2的左側(cè)面，其下面安裝有一風(fēng)扇22，外殼的側(cè)面有進(jìn)風(fēng)口4和出風(fēng)口21。開關(guān)電源23將交流電轉(zhuǎn)換為12V、1～3A的直流電。


圖1是本實(shí)用新型的外部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖3是本實(shí)用新型的電路原理圖。
在圖中1-蓋板；2-殼體；3-低溫顯示模塊；4-進(jìn)風(fēng)口；5-高溫顯示模塊；6-賽貝克效應(yīng)開關(guān)；7-帕爾貼效應(yīng)開關(guān)；8-安培表；9-伏特表；10-燈座；11-燈泡；12-鋁杯；13-保溫材料；14-熱電偶；15-半導(dǎo)體制冷片；16-散熱器；17-長(zhǎng)螺釘；18-短螺釘；19-薄膜電阻加熱器；20-絕熱塊；21-出風(fēng)口；22-風(fēng)扇；23-開關(guān)電源。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如附圖2、圖3所示，首先給錐形鋁杯12注入自來水，蓋上蓋板1。接入市電，經(jīng)開關(guān)電源22轉(zhuǎn)換為12V、1～3A的直流電。
演示賽貝克效應(yīng)關(guān)閉帕爾貼效應(yīng)開關(guān)7，接通賽貝克效應(yīng)開關(guān)6，薄膜電阻加熱器18開始加熱，通過導(dǎo)熱作用將熱量經(jīng)散熱器16傳遞給半導(dǎo)體制冷片15的熱端。鋁杯12由于內(nèi)部盛有自來水而保持較低的溫度，通過導(dǎo)熱作用使半導(dǎo)體制冷片15的冷端也保持較低的溫度。半導(dǎo)體制冷片15的上下端面以及散熱器16與薄膜電阻加熱器18之間均涂有一層導(dǎo)熱硅酯，使得散熱器16的頂部溫度、鋁杯12的底部溫度分別與半導(dǎo)體制冷片15的熱端和冷端溫度基本相等，因此，半導(dǎo)體制冷片15冷熱端的溫度可以通過熱電偶14經(jīng)過低溫顯示模塊3和高溫顯示模塊5顯示出來，此時(shí)可以隨時(shí)動(dòng)態(tài)顯示半導(dǎo)體制冷片15冷熱端的溫度，進(jìn)而計(jì)算出具體溫差的數(shù)值，同時(shí)還可避免熱端的加熱溫度過高。隨著半導(dǎo)體制冷片15冷熱端溫差的逐漸建立，燈泡11也逐漸亮起來，燈泡11兩端的電壓值由伏特表9讀出，流過的電流值由安培表8讀出。調(diào)整控制開關(guān)6使半導(dǎo)體制冷片15的熱端溫度不超過100℃，鋁杯12中的自來水可以隨時(shí)更換，使半導(dǎo)體制冷片15的冷端保持相對(duì)較低的溫度，此時(shí)保持一定的溫差，通過燈泡11的亮度變化，可以清楚地演示半導(dǎo)體制冷片15的賽貝克效應(yīng)。賽貝克效應(yīng)演示完畢后開啟風(fēng)扇22，直至高溫顯示模塊5的溫度降低到50℃以下時(shí)可結(jié)束該實(shí)驗(yàn)過程。
演示帕爾貼效應(yīng)卸下燈座10和燈泡11，關(guān)閉賽貝克效應(yīng)開關(guān)6，接通帕爾貼效應(yīng)開關(guān)7，開關(guān)電源22給半導(dǎo)體制冷片15輸入直流電，半導(dǎo)體制冷片15的冷端開始制冷，熱端開始放熱。錐形鋁杯12中放入適量自來水吸收半導(dǎo)體制冷片15冷端的冷量；同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇22，將半導(dǎo)體制冷片15熱端的熱量通過散熱器16排出。半導(dǎo)體制冷片15兩端的電壓值由電壓表9讀出，通過的電流值由安培表8讀出，半導(dǎo)體制冷片15的冷熱端溫度通過熱電偶14經(jīng)過低溫顯示模塊3和高溫顯示模塊5顯示出來，由此計(jì)算出具體的溫差值。調(diào)整控制開關(guān)7使半導(dǎo)體制冷片15的熱端溫度不超過100℃，鋁杯12中的自來水保持少量時(shí)制冷效果更好，此時(shí)半導(dǎo)體制冷片15的帕爾貼效應(yīng)清晰地演示出來。帕爾貼效應(yīng)演示完畢后應(yīng)一直開啟風(fēng)扇22，直至高溫顯示模塊5的溫度降低到50℃以下時(shí)可結(jié)束該實(shí)驗(yàn)過程。
在演示賽貝克效應(yīng)的同時(shí)，也演示著熱機(jī)的基本原理，即半導(dǎo)體制冷片15從高溫?zé)嵩?薄膜電阻加熱器18)吸收熱量，對(duì)外做功(燈泡11發(fā)亮，電功)，同時(shí)對(duì)低溫?zé)嵩?鋁杯12)放熱。熱機(jī)效率的高低，取決于對(duì)外做功的大小與吸收熱量的多少的比值。
在演示賽貝克效應(yīng)的同時(shí)，也演示著熱力學(xué)第一定律的基本原理，即半導(dǎo)體制冷片15對(duì)外做功(燈泡11發(fā)亮，電功)的多少等于半導(dǎo)體制冷片15兩端從高溫?zé)嵩?薄膜電阻加熱器18)吸收的熱量與向低溫?zé)嵩?鋁杯12)放出的熱量的差值。當(dāng)半導(dǎo)體制冷片15兩端的溫度相同時(shí)，即溫差為零時(shí)，半導(dǎo)體制冷片15變成單一熱源，安培表8和伏特表9讀數(shù)為零，燈泡11不亮，說明沒有電功產(chǎn)生，即滿足熱力學(xué)第二定律的開爾文說法。
在演示帕爾貼效應(yīng)的同時(shí)，也演示了制冷機(jī)的基本原理，即半導(dǎo)體制冷片15向低溫?zé)嵩?鋁杯12)輸出冷量，同時(shí)必須消耗功(開關(guān)電源22提供電功)，并且向高溫?zé)嵩?散熱器16)排出熱量。
本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于采用半導(dǎo)體制冷片作為熱電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能夠很好地演示賽貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)，并且還可以演示熱機(jī)、制冷機(jī)、熱力學(xué)第一定律和第二定律等熱力學(xué)基本原理和規(guī)律。
權(quán)利要求1.半導(dǎo)體熱電效應(yīng)教學(xué)演示儀，由蓋板(1)、殼體(2)、低溫顯示模塊(3)、高溫顯示模塊(5)、安培表(8)、伏特表(9)、燈座(10)、燈泡(11)、開關(guān)(6、7)、半導(dǎo)體制冷片(15)、鋁杯(12)、散熱器(16)、熱電偶(14)、薄膜電阻加熱器(19)、風(fēng)扇(22)、開關(guān)電源(23)組成，其特征在于燈座(10)和燈泡(11)置于殼體(2)的頂部，半導(dǎo)體制冷片(15)、鋁杯(12)用保溫材料(13)保溫后與散熱器(16)通過長(zhǎng)螺釘(17)緊固為一體并固定于殼體(2)內(nèi)，薄膜電阻加熱器(19)和絕熱塊(20)通過短螺釘(18)與散熱器緊固為一體，在鋁杯(12)的底部和散熱器(16)的頂部與半導(dǎo)體制冷片(15)接觸的部位安裝有熱電偶(14)。
2.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體熱電效應(yīng)演示儀，其特征在于所述開關(guān)電源(23)將交流電轉(zhuǎn)換為12V、1～3A的直流電。
3.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體熱電效應(yīng)演示儀，其特征在于所述半導(dǎo)體制冷片(15)可選擇最大溫差電流3.0A、工作電壓12V、制冷功率20W以上的任何TEC1型號(hào)的半導(dǎo)體制冷片。
4.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體熱電效應(yīng)演示儀，其特征在于所述燈泡(11)的規(guī)格為3.8V、0.02～0.3A。
5.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體熱電效應(yīng)演示儀，其特征在于所述燈座(10)放置在殼體(2)的頂部，也可以放置在其它部位，也可拆卸放置。
6.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體熱電效應(yīng)演示儀，其特征在于所述鋁杯(12)的底部有一放水閥門。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體熱電效應(yīng)教學(xué)演示儀。主要由高、低溫顯示模塊、安培表、伏特表、半導(dǎo)體制冷片、散熱器、薄膜電阻加熱器、開關(guān)電源等組成。半導(dǎo)體制冷片、鋁杯用保溫材料保溫后與散熱器通過長(zhǎng)螺釘緊固為一體并固定于殼體內(nèi)，薄膜電阻加熱器和絕熱塊通過短螺釘與散熱器緊固為一體，在鋁杯的底部和散熱器的頂部與半導(dǎo)體制冷片接觸的部位安裝有熱電偶。采用半導(dǎo)體制冷片作為熱電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊，能演示帕爾貼效應(yīng)和賽貝克效應(yīng)，在演示帕爾貼效應(yīng)時(shí)能夠顯示半導(dǎo)體制冷片兩端的電壓、電流值和冷熱端的溫度值。在演示賽貝克效應(yīng)能夠清楚地顯示溫差電動(dòng)勢(shì)、電流的大小和溫度的高低。在此基礎(chǔ)上，還可以同時(shí)演示熱機(jī)、制冷機(jī)、熱力學(xué)第一定律和第二定律等基本原理和規(guī)律。
文檔編號(hào)G09B23/06GK2814557SQ20052002620
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2005年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月20日
發(fā)明者曾憲陽(yáng), 馬一太, 劉圣春, 李敏霞 申請(qǐng)人:天津大學(xué)