Jegyzőkönyv. Termoelektromos hűtőelemek vizsgálatáról (4)

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Jegyzőkönyv. Termoelektromos hűtőelemek vizsgálatáról (4)"

Henrik Péter
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Jegyzőkönyv ermoelektromos hűtőelemek vizsgáltáról (4) Készítette: üzes Dániel Mérés ideje: , szerd ór Jegyzőkönyv elkészülte: 8-1-1

3 A mérés célj A termoelektromos hűtőelemek vizsgáltávl kicsit közelebbről megismerkedhetünk termikus és elektromos jelenségek kpcsoltávl. Elvi lpok A mérés során több htás együttes vizsgáltár lesz szükségünk, ezért előjáróként ismertetem mérés során fellépő jelenségeket. Elsőként közismert Joule-hőt. H dott egy lineáris R ellenállású ármkör, melyen ármerősséget folytunk, kkor z ármkörön keletkező ΔQ hőre ΔQ = R Δt. Másodikként hővezetés egyenletét ismertetném. H egy homogén nygi őségű tánk két, egymástól Δx távolságú részei között Δ különbség vn, kkor hidegebbtől melegebb rész felé ármló hőmennyiség Δt idő ltt, h szóbn forgó mennyiségek kellően kicsik: ΔQ = λδ Δt A/ Δx, hol A t keresztmetszete, λ z nygr jellemző állndó. Deriválás 1 dq d segítségével ezt így is írhtjuk: = λ. H vezető hossz l, és végei között Δ Adt dx különbség vn, kkor lineáris közelítésben hőátdás dq λa sebessége, zz z időegység ltt átármló hőmennyiség = Δ. dt l b ovábbikbn hsználjuk Λ = λa/ l rövidítést! A m h időfüggését Newton-féle hűlési törvény dj meg, mely szerint test t 1 ére z lábbi összefüggés áll fenn: ( t) τ = A + hol τ test-környezet rendszerre jellemző állndó és pedig környezet U e. A mérés során tpsztlt egyik termoelektromos jelenség eebeck-effektus. Ennek ismertetéséhez tekintsük z ábrát! Az ábrán és b különböző nygi őségű fémek. H fémek érintkezési pontjink ére m h áll fenn, kkor csupán ezen jelenség mitt feszültséget mérhetünk z 1-es és -es pontok között. A mért feszültség függ z érintkezési pontok grdiensétől és két nygr jellemző ún. eebeck-együtthtótól. Az együtthtót z lábbi összefüggés definiálj: ( ) U = m h = áll 15 Végül Peltier-effektust említeném. Ez egyfjt megfordítottj eebeck-effektusnk, vgyis mennyiben z eredetileg homogén ű rendszerre feszültséget kpcsolok, kkor zon (nem Joule hő egyenetlen fejlődéséből következően) z illesztési pontoknál grdiens fog megjelenni. Az érintkezési pontokon fejlődő vgy dq elnyelődő hő leírásár z = P egyenlet szolgál, dt melyben P két fémre jellemző ún. Peltier együtthtó. Elméleti levezetésekből tudhtó, hogy P( ) = ( ). ( o K) (A) oldl üzes Dániel, ermoelektromos hűtőelemek vizsgált

H dott egy lineáris R ellenállású ármkör, melyen ármerősséget folytunk, kkor z ármkörön keletkező ΔQ hőre ΔQ = R Δt. Másodikként hővezetés egyenletét ismertetném.

4 Méréseink során meghtározzuk különbség-feszültség kpcsoltot (eebeck effektus) illetve hűtés során egy egyensúlyi -ármerősség kpcsoltot (Peltier effektus). Ez utóbbihoz z. ábr szerinti dtsort várunk. A mérés során lejegyezzük z egyes ármerősségek hez trtozó, Peltier elemen mérhető feszültséget, így ezekből eebeck-együtthtó így dhtó meg: U =, hol o környezet e, U pedig imális hez trtozó feszültség. A már ismertetett formulák szerint ebből P ( ) = U, továbbá ismert értéke esetén ból kiszámolhtó hűtőelem R összeellenállás R / =. H már említett rendszeren ármot vezetünk, kkor már említett effektusok együttes htását dq 1 dq kell tekinteni, vgyis = P R Λ ( ), hol dq környezetből rendszerbe ármló dt dt dt hűtőteljesítmény. Egyensúlybn láthtó, hogy ez utóbbi. Így et így is megdhtjuk: R + ( ) Λ ( ) = + 1 Λ R. H kimérjük továbbá () függvényt, ból megkphtó = formul. ( ( ) ) Definiálhtunk továbbá egy z = = mennyiséget, z ún. Peltier-elem jóségi számát. Λ R Az utóbbit mérésből is közvetlen meg tudj uk dni. Ezen definíciókból dódik egy másik lehetőség R, és Λ mérésére: R Λ ( ) = +. A mérési módszer ismertetése A mérési elrendezés vázltához tekintsük z ábrát! A Peltierelem egy, környezeti levegőtől elzárt blokkbn fogll helyet. Az egységbe termoelem is építve vn, mely Peltier-elem hűtő oldlár vn helyezve. A Peltier-elemet lkotó fémek úgy lettek megválsztv, hogy fellépő jelenségek ezen egyszerű berendezéssel is kimutthtók legyenek, ehhez két, n és p típusú félvezetőt lett z egységbe építve. A gykorlti megvlósítás megköveteli, hogy egyszerre több (1-4) Peltier-elemet hsználjunk, t zt hogy. ábráról láthtjuk. A berendezés hűtését vízzel oldjuk meg (lsd.. ábr). Q () Q ( ) ápegység b C Az ármkörön folyó árm erősségét egy digitálisn vezérelhető ármgenerátor szolgálttj, Peltier-elem hűtött felületének ét termoelem feszültségéből számolj ki egy műszer, és számolt et közli. A Peltier-elemen levő feszültséget egy feszültségmérő eszközről olvshtjuk l e, időmérésre stopper szolgál. víz b b b Először értékét htározom meg, mjd lehűtött rendszer visszmelegedését vizsgálom. Ez utóbbiból tudhtó meg ugynis, hogy mennyi időt érdemes várni Peltier-együtthtó mérésénél, mikor dott ármerősség mellett vizsgáljuk kilkuló közös et. A többi mérést ezek után végzem. üzes Dániel, ermoelektromos hűtőelemek vizsgált. oldl

A már ismertetett formulák szerint ebből P ( ) = U, továbbá ismert értéke esetén ból kiszámolhtó hűtőelem R összeellenállás R / =.

5 Mérési eredmények, hibszámítás időfüggése A mérés során lehűtöttem tát, mjd hgytm felmelegedni. Eközben lejegyeztem z egymáshoz trtozó -idő dtpárokt: idő (s) idő (s) idő (s) 5,5 7 1,3 14 1, , ,5 1 6,5 8 1,7 15 1, ,9 16 1,7 7,4 9 11, ,8 5 7, ,3 17 1,9 3 8,1 1 11, ,9 35 8, , , 4 8, , ,1 45 9, ,8 13, 5 9,4 1 1, 1 13,3 55 9,6 15 1,1 13,4 6 9,9 13 1, 35 13,5 65 1, , ,6 A mért dtokt logritmizálv grfikonon ábrázoltm mellékletben. A grfikonr illesztett egyenes meredekségéből τ = 84, 5s. Az dtokból továbbá megtudhtó ( ) 17, 9 C =. A hűtővíz ének meghtározásához tát kicsit lehűtöttem, mjd hgytm visszmelegedni. Ekkor volt egy olyn pillnt, mikor Peltier-elemen levő feszültség épp volt. Az ehhez trtozó ek: = { 13, C; 13, C; 13, 1 C; 13, C; 1, 9 C; 1, 9 C; }, melyből z átlg jó közelítéssel = ( 13, ±, 3) C. A mért eredmény zonbn csk mérés kezdő idő pillntábn volt igz. A hálózti víz ingdozásából reális értéke = ( 13, ±, 3) C. különböző ármerősség mellet mért állndósult Különböző ármerősségeket lklmzv megmértem már állndósul Peltier-elem ét, és z ekkor mérhető feszültséget: ármerőssé g (A) hőmérsékl et feszültség (V),998,7 1,66 1,996-8,9,5,998-15,1 3,7 4, -18,8 4,6 4,998 -,4 4,78 6, -19,8 5,37 5,499 -,5 5,1 7, -17, 6,13 4,497 -,1 4,4 A mért - eredményeket grfikonon is ábrázoltm, rr hrmdfokú polinomot illesztettem: 3. oldl üzes Dániel, ermoelektromos hűtőelemek vizsgált

11,4 175 1,9 35 8,5 15 11,6 18 13, 4 8,8 11 11,7 19 13,1 45 9,1 115 11,8 13, 5 9,4 1 1, 1 13,3 55 9,6 15 1,1 13,4 6 9,9 13 1, 35 13,5 65 1,1 135 1,3 55 13,6 A mért dtokt logritmizálv grfikonon

6 ármerősség (A) y = -,41x 3 + 1,69x - 14,11x + 13, A kpott hrmdfokú polinom deriváltj = 5, A ármerősség mellett volt, tehát = 5, A, =, 5 C. Az ábráról érezhető, hogy imális hez trtozó ármerősség hibáj számottevő lehet. Ugynígy ábrázoltm z egyensúlyi feszültség ármerősség függését: 7 6 feszültség ( V) y =,6716x + 1, ármerősség (A) Az illesztett egyenest z origób tolv, ból U = ( 38± 4) V, így rendszer számos prméterét,, U meghtározhtjuk: = = ( 13± ) mv / K, P ( 1, 3, ) V = ±, R / ( 64 9) Ω = = ±. A ngy hibákból láthtó, hogy pontosb mérés is szükséges voln. Ekkor hibánál hibszámítás képletei sem helyesek. Megdhtó továbbá jósá gi szám is, me lyre z = ( 1, ± 1, )K, ennek ismeretében hővezetési állndó is kiszámolhtó: Λ = = ( ± 4) mw / K. z R feszültség mérése melegedés közben A mérés során z lábbi dtokt mértem: feszültség fe szültség feszültség fe szültség feszültség 1, 116 1,6 4, 4 88,7 8,4 46, 11,6 14,3 9,7 33,1 1,8, 5 78,9 9,3 37,1 11,7 13, 9,9 31,1 11,, 6 68,9 9,5 34,9 1, 8, 1, 8, 11,4 16,3 6,5 64,5 11,8 1, 1,3 7,3 11, 18,3, ,9 11,1 1,4 6,4 1,4 6, 3 98,1 7,3 56,6 11,5 15, üzes Dániel, ermoelektromos hűtőelemek vizsgált 4. oldl

Ugynígy ábrázoltm z egyensúlyi feszültség ármerősség függését: 7 6 feszültség ( V) y =,6716x + 1,3994 5 4 3 1 ármerősség (A) 1 3 4 5 6 7 8 Az illesztett egyenest z origób tolv, ból U = ( 38± 4) V,

7 A kpott mérési eredményeket grfikusn is ábrázoltm, melyre egyenest is illesztettem: 1 feszültség y = -9,7491x + 17, A mért eredményből már jól kiszámolhtó eebeck-együtthtó: = ( 974, ± 4, ) mv / K. Ezen dt ismeretében újr megdhtjuk ren dszerre jellemző prmétereke t: P( ) = ( 46, ± 1, ) V, =, értéket elfogdv pedig R = ( 473± 7) Ω, illetve Λ = /( z R) = ( 167± 1) mw / K. különböző ármerősség mellet mért állndó - átprméterezve Az különböző ármerősség mellet mért állndó részben mért eredményből, ábrázolv ( ) R x = függvényében y = -t, nnk meredekségéből m = Λ / illetve tengelymetszetébőlb =. 3 K/A y = 14,35x + 9, Kiszámolv ezen értékeket korábbn mértekből láthtjuk számottevő eltérést. Ezen mérésből Λ = m = ( 139, 8 ± 3) mw / K, illetve R = ( 57± ) mω. teljesítmény-egyenlet A már meghtározott értékekből teljesítmény-egyenleg: Q ( 1, 8 ±, 9) W, Q = R = ( 1, 8±, ) W, P = j QV = Λ( ) = ( 56, ±, ) W illetve q = Λ( ( ) ) = (, 69±, 3) W. Láthtó, hogy legutóbbi értéke mjd egy ngyságrenddel kisebb, t többi, vgyis hőszigetelés jól meg vn oldv mérés során. Melléklet Hvncsák Károly: Mérések klsszikus fizik lortóriumbn, ELE Eötvös Kidó, Budpest, 3. A Peltier elemet PC tunningolók is szeretettel hsználják, több-kevesebb sikerrel. Azonbn denki hsonló sorsr jutht, ki szkértelem nélkül vág hozzá: K/A 14 5A 5. oldl üzes Dániel, ermoelektromos hűtőelemek vizsgált

különböző ármerősség mellet mért állndó - átprméterezve Az különböző ármerősség mellet mért állndó részben mért eredményből, ábrázolv ( ) R x = függvényében y = -t, nnk meredekségéből m = Λ / illetve

Hasonló dokumentumok

TERMOELEKTROMOS HŰTŐELEMEK VIZSGÁLATA

TERMOELEKTROMOS HŰTŐELEMEK VIZSGÁLATA 9 MÉRÉEK A KLAZKU FZKA LABORATÓRUMBAN TERMOELEKTROMO HŰTŐELEMEK VZGÁLATA 1. Bevezetés A termoelektromos jelenségek vizsgált etekintést enged termikus és z elektromos jelenségkör kpcsoltár. A termoelektromos