Peltier-elemek vizsgálata

Átírás

1 Peltier-elemek vizsgálata Mérés helyszíne: Vegyész labor Mérés időpontja: :00-20:00 Mérés végrehatói: Budai Csaba Sánta Botond I. Seebeck együttható közvetlen kimérése Az adott P-N átmenetre jellemző seebeck együttható pontos ismerete nagyon fontos, ugyanis belőle származtatható a Peltier-együttható és a jósági tényező is. A Seebeck együttható közvetlen kimérésének egyik módja az, hogy a Peltier-elem két oldalán különbséget hozunk létre, amellyel arányos termofeszültséget tudunk mérni (vagyis lényegében termoelemként működtetjük az eszközt). Az arányossági tényező lesz a keresett Seebeck együttható. A méréshez Vankó Péter tanár úrtól kapott mérőeszközt használtuk, amelyben a meleg oldal ét egy fűtőellenállással tudtuk beállítani, a hideg oldalát pedig vízhűtéssel közel egyenletes en tartottuk. A eket Lucsányi Dávid tulajdonában lévő interface-szekkel mértük, melyek pontossága vitatott, a hibája T=0,1 K-nek becsülhető. A legfőbb hibaforrás azonban a multiméter, amelynek pontossága ismét csak becsülhető, U=5 mv. A mért adatokat táblázatba foglaltuk: feszültsé g (mv) felső ( C) alsó ( C) T( C) 35,3 20,7 14,6 6, ,8 14, ,5 14,9 10, ,1 11, ,2 12, ,5 13, ,7 14, ,9 15, ,2 15, ,5 16, ,7 17, ,4 18, ,7 19, ,4 20,6

2 ,6 21, ,9 22, ,1 23, ,5 25, ,7 26, ,5 20,3 28, ,4 28, ,5 29, , , ,5 21,4 31, ,6 31, ,8 32, ,2 32, ,5 33, ,8 34, ,2 34, ,5 35, ,9 36,1 Ábrázolva, a mérési leírástól egy előjellel eltérve: A Seebeck együttható így:

3 A kapott eredmény hibáját itt az egyenes illesztés hibájával becsültem. A későbbiekben, mivel módunkban áll a Seebeck együtthatót másképpen is meghatározni, ezért az eredményünket ellenőrizni fogjuk. II. Minimális áram meghatározása, Seebeck-együttható ellenőrzése A Peltier-elemeknél fontos tisztázni, hogy a külső től és a rajtuk átfolyó áramtól a hideg oldal e hogyan függ. Ez a függvény egy minimummal bíró polinomiális függvény, amely azt jelenti, hogy adott külső hez mindig tartozik egy olyan áram, amely mellett a meleg és hideg oldal között kialakuló különbség maximális. A mérési elrendezésben a Peltier-elemet egy alulról manuálisan szabályozható vízhűtésű alumínium kockával szabályoztuk (meleg oldal) és nagy pontossággal állandó en tartottuk, a hideg oldalra pedig egy jól hőszigetelt szintén alumínium kockát helyeztünk. Így a hideg oldalról elvonandó hőt a kocka lehűtése, illetve a nem ideális szigetelés miatti hőáram jelenléte okozta. Kivárva a közel stacioner állapotot leolvastuk a Peltier-elemen átfolyó áramot és az ahhoz tartozó hideg oldali et. A mért adataink: felső ( C) felső (K) alsó ( C) I (A) U (V) 29,6 302,8 40,1 0,99 1,7 18,8 292,0 40,1 2 3,3 9,9 283,1 40,3 3,01 4, ,2 40,2 4 6,2 0,2 273,4 40 4,51 6, ,2 40 4,75 7,2-1,8 271,4 40,4 5 7,5-2,3 270,9 42,5 5,5 8,3 Az utolsó mérési pontot kivéve ábrázoltam az adatokat és egy negyedfokú függvényt illesztettem rájuk.

4 Az illesztett függvény: Ennek a függvénynek a minimuma, amelyhez tartozó minimum. Megjegyzendő, hogy azzal hogy nem mértünk a számított minimális áram környékén egyfajta elvi hibát vétettünk, mert szükség lett volna az illesztéshez még néhány mérés pontra. Technikai okokból azonban erre nem volt lehetőségünk, mert nem tudtuk a meleg oldal ét azonos értéken tartani nagy teljesítmények esetén (a vízhűtés az átfolyó víz kis keresztmetszete miatt nem bizonyult elég jónak). Az alábbi függvényt felhasználva ellenőrizhetjük (nem kellően nagy pontossággal) a Seebeck-együttható értékét is: A Peltier-elem ellenállásnak pontos ismeretéhez felhasználjuk a gyártó által közzétett ellenállásértékeket, amelyet a Peltier meleg oldalának függvényében adtak meg: R( = 25 C) = 1,08 Ω R( = 50 C) = 1,24 Ω Mivel az általunk vizsgált tartomány nem nagy (< 100 C), ezért feltételezhetjük, hogy az ellenállás függése lineáris. Ezzel a közelítéssel az adott meleg oldali hez tartozó ellenállás képlete:

5 Az ellenállás hibáját -val becsüljük, a mért ek hibája. Az innen számított Seebeck-együttható: A kapott eredmény láthatóan nagyságrendileg megegyezik a mért értékkel, az eltérés is mindössze 5%. Az eltérés oka az ellenállás hibája lehet (5%-os tűrés esetén - amely ilyesfajta félvezetőknél, illetve ilyen kis ellenállásnál teljesen normális - máris a közvetlenül mért értéket kapjuk hibahatáron belül). A további számításokban természetesen az első feladatban mért együttható értéket fogjuk használni, annak nagyobb pontossága miatt. III. A jósági szám kiszámítása A mérési leírásban levezett összefüggések alapján ezt az alábbi képlettel tudjuk megadni, amelyben immár minden tényezőt ismerünk: Ebből z-t expliciten kifejezve: A kapott eredmény egyezik nagyságrendileg az irodalmi értékkel ( becsülni. ), hibáját nem tudtam IV. Peltier együttható kiszámítása A bevezetőben láttuk, hogy a Peltier együtthatót megadó összefüggés a következő:

6 V. Hővezetési tényező kiszámítása Szükségünk lesz a további számításokhoz a Peltier-elem hővezetési tényezőjének kiszámítására ( ) is, amely kifejezhető az alábbi képletből: Az eredmény kicsit nagy, mert ilyen jó hővezetési tényezője a réznek van ( ), de nagyságrendileg stimmel a számításunk. Tehát a hővezetése a Peltier-elemeknek igen nagy, ami nem meglepő tény, hiszen csak így képesek hatékony hőszivattyúként funkcionálni. A jósági szám hibáját a hibaszámításban z = 0,00001-nek vettem.