Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata

Hasonló dokumentumok
Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata

3. Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Fázisátalakulások vizsgálata

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Fajhő mérése. (Mérési jegyzőkönyv) Hagymási Imre február 26. (hétfő délelőtti csoport)

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Mikroszkóp vizsgálata Folyadék törésmutatójának mérése

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Rugalmas állandók mérése

5. Fajhő mérése jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Fényhullámhossz és diszperzió mérése

Fázisátalakulások vizsgálata

Hőmérsékleti sugárzás

Fázisátalakulások vizsgálata

Peltier-elemek vizsgálata

Fajhő mérése. Mérő neve: Márkus Bence Gábor Mérőpár neve: Székely Anna Krisztina Szerda délelőtti csoport

Mikroszkóp vizsgálata Lencse görbületi sugarának mérése Folyadék törésmutatójának mérése

Nehézségi gyorsulás mérése megfordítható ingával

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás.

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Modern Fizika Laboratórium Fizika BSc 1. Hőmérsékleti sugárzás

Rugalmas állandók mérése

Jegyzőkönyv. mágneses szuszceptibilitás méréséről (7)

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

2. Laboratóriumi gyakorlat A TERMISZTOR. 1. A gyakorlat célja. 2. Elméleti bevezető

Fajhő mérése. Mérést végezte: Horváth Bendegúz Mérőtárs neve: Olar Alex Mérés ideje: Jegyzőkönyv leadásának ideje:

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése

Jegyzőkönyv. Termoelektromos hűtőelemek vizsgálatáról (4)

Modern Fizika Labor. 11. Spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: dec. 16. A mérés száma és címe: Értékelés: A beadás dátuma: dec. 21.

TERMOELEKTROMOS HŰTŐELEMEK VIZSGÁLATA

Az Ohm törvény. Ellenállás karakterisztikája. A feszültség és az áramerősség egymással egyenesen arányos, tehát hányadosuk állandó.

ELLENÁLLÁSOK HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE. Az ellenállások, de általában minden villamos vezetőanyag fajlagos ellenállása 20 o

Fényhullámhossz és diszperzió mérése

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Modern fizika laboratórium

17. Diffúzió vizsgálata

BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék 2. MÉRÉS

A mágneses szuszceptibilitás vizsgálata

Ellenállásmérés Ohm törvénye alapján

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Félvezetk vizsgálata

Modern Fizika Labor Fizika BSC

2. Rugalmas állandók mérése jegyzőkönyv javított. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Modern Fizika Labor. 17. Folyadékkristályok

Magspektroszkópiai gyakorlatok

Hőmérséklet mérése. Sarkadi Tamás

Ohm törvénye. A mérés célkitűzései: Ohm törvényének igazolása mérésekkel.

4. Laboratóriumi gyakorlat A HŐELEM

Modern Fizika Labor. A mérés száma és címe: A mérés dátuma: Értékelés: Infravörös spektroszkópia. A beadás dátuma: A mérést végezte:

5. Laboratóriumi gyakorlat. A p-n ÁTMENET HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE

Modern Fizika Laboratórium Fizika és Matematika BSc 11. Spektroszkópia

Modern Fizika Labor Fizika BSC

19. A fényelektromos jelenségek vizsgálata

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

AZ INSTACIONER HŐVEZETÉS ÉPÜLETSZERKEZETEKBEN. várfalvi.

Modern Fizika Labor. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: Az optikai pumpálás. A beadás dátuma: A mérést végezte:

Kiegészítő tudnivalók a fizikai mérésekhez

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS I. Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás. 2010/2011.BSc.II.évf.

SCHWARTZ 2012 Emlékverseny

Abszolút és relatív aktivitás mérése

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Mérés és adatgyűjtés

Mérési adatok illesztése, korreláció, regresszió

A mikroszkóp vizsgálata Lencse görbületi sugarának mérése Newton-gyűrűkkel Folyadék törésmutatójának mérése Abbe-féle refraktométerrel

2. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

Mikroszkóp vizsgálata és folyadék törésmutatójának mérése (8-as számú mérés) mérési jegyzõkönyv

Differenciaegyenletek

Statisztika I. 12. előadás. Előadó: Dr. Ertsey Imre

Mérési hibák

Jelölt válaszai Prof. Mizsei János Opponens megjegyzéseire és kérdéseire

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

TxRail-USB Hőmérséklet távadó

Termodinamika (Hőtan)

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 12. mérés: Infravörös spektroszkópia május 6.

Az éjszakai rovarok repüléséről

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

Biomatematika 12. Szent István Egyetem Állatorvos-tudományi Kar. Fodor János

AZ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS KETTŐS TERMÉSZETE

2. Rugalmas állandók mérése

Logaritmikus erősítő tanulmányozása

A kísérlet, mérés megnevezése célkitűzései: Váltakozó áramú körök vizsgálata, induktív ellenállás mérése, induktivitás értelmezése.

E23 laboratóriumi mérés Fizikai Tanszék

E1 laboratóriumi mérés Fizikai Tanszék

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Al-Mg-Si háromalkotós egyensúlyi fázisdiagram közelítő számítása

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

MÉRÉSI UTASÍTÁS. A jelenségek egyértelmű leírásához, a hőmérsékleti skálán fix pontokat kellett kijelölni. Ilyenek a jégpont, ill. a gőzpont.

Oktatási Hivatal. A 2008/2009. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő fordulójának feladatlapja. FIZIKÁBÓL II.

Ón-ólom rendszer fázisdiagramjának megszerkesztése lehűlési görbék alapján

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Elektromos egyenáramú alapmérések

Jegyzőkönyv. hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálatáról (3)

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Átírás:

KLASSZIKUS FIZIKA LABORATÓRIUM 4. MÉRÉS Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata Mérést végezte: Enyingi Vera Atala ENVSAAT.ELTE Mérés időpontja: 2011. november 30. Szerda délelőtti csoport

1. A mérés célja A mérés célja a termoelektromos hűtőelem tulajdonságainak, illetve működésének megfigyelése. A mérés során termodinamikai változásokat, és azok elektromos rendszerre gyakorolt hatását figyeltük meg. A mérés két fő témája az irreverzibilis (Joule-hő, Fourier-effektus) és a reverzibilis termodinamika (Thomson-, Peltier-, Seebeck-effektus), ám ezek nem függetlenek egymástól. 2. A mérés eszközei Félvezető Peltier-elem Hőtartály vízhűtéssel Áramgenerátor Voltméter Hőmérő 3. A mérés elmélete 3.1. Joule-hő Ha egy R ellenállású vezetőn I áram folyik át, akkor a vezetőben egységnyi idő alatt keletkezett hő az áram négyzetével arányos: Q t = RI 2 3.2. Fourier-effektus Egy inhomogén hőmérsékleteloszlású közegben a testben hőáram indul meg a melegebb részről a hidegebb rész felé. A létrejövő hőáramsűrűség - lineáris közelítésben - arányos a hőmérsékletgradienssel: j = 1 dq == λ T A dt ahol λ a hővezetési együttható, A a vezető keresztmetszete. A mi mérésünk során feltételezzük, hogy a hőmérsékletváltozás lineáris. dq dt = λa l dt 1

3.3. Seebeck-effektus Két különböző vezetőből készített áramkör két sarka között, hőmérsékletkülönbség hatására, feszültség jelenik meg (U ab ). A magasabb hőmérsékletű pont hőmérsékletét T m -mel jelölve, az alacsonyabb pont hőmérsékletét T h -val jelölve származtathatjuk az alábbi mennyiséget, amelyet Seebeck-együtthatónak nevezünk. ( ) Uab S ab (T m ) = T m 3.4. Peltier-effektus Ha két különböző anyagú vezetőből álló körön I áram folyik, akkor az áram irányától függően a vezetők egyik érintkezési pontja lehűl, míg a másik felmelegszik. Az időegység alatt fejlődött vagy elnyelődött hő: Q t = P ab I ahol ap ab arányossági tényezőt nevezzük Peltier-együtthatónak. 3.5. Thomson-effektus Inhomogén hőmérsékleteloszlású vezetőben a rajta átfolyó áram hatására hő fejlődik. Q = Lτ T t x ahol τ a Thomson-együttható. A mérés során ezzel nem foglalkoztunk, mert szobahőmérsékleten elhanyagolható. 3.6. A Kelvin-összefüggés A fenti együtthatók közti kapcsolatot teremtik meg a Kelvin-összefüggések: P(T) = TS(T) T h S(T) = T 0 τ(t ) T dt 3.7. A termoelektromos hűtés 3.7.1. Időfüggés A mérést egyensúlyi állapotban végezhetjük el, aminek beállási ideje T(t) = Ae t τ +T 2

ahola a hőmérséklet változása, τ a beállás karakterisztikus ideje, T pedig az egyensúlyi hőmérséklet. τ meghatározható az egyensúlyi hőmérséklet ismeretében: ln(t T ) = t τ +lna 3.7.2. A hűtés A részletes levezetés a ([1]) könyvben található, itt csak a fontos összefüggéseket tárgyalom. A hidegpontról időegység alatt kiszivattyúzott hő: dq dt = P abi 1 2 R abi 2 Λ ab (T(0) T) A Kelvin-összefüggésekkel ez alapján felírható az alábbi függvény, amit minimalizálnunk kell ahhoz, hogy a legkisebb hőmérséklethez tartozó áramértéket megkapjuk. I min = Λ ab S ab R ab I 2 +T(0) 2Λ T(I) = ab S ab I +1 Λ ab 1+ 2S2 ab T(0) 1 Λ ab R ab [T min = R abi min S ab Ahol Λ = λa l. A csak anyagfüggő paramétereket a hűtőelem jósági tényezőjének nevezzük: z = S2 ab Λ ab R ab = 2(T(0) T min) T 2 min A fenti összefüggésekből már számolhatjuk a Seebeck- és a Peltier-együtthatót: S ab = U min T 0 P ab (T 0 ) = U min A függvényünk transzformálásából megkaphatjuk, hogy T(I) -t a T(0) T(I) I I 2 függvényében ábrázoljuk, akkor egy egyenest kapunk. T(I) I = R ab + Λ ab T(0) T(I) 2S ab S ab I 2 3

4. Mérési eredmények és kiértékelés 4.1. Az egyensúlyi hőmérséklet A mérés első lépéseként a korábban megnyitott vízhűtés hatására beállt rendszer hőmérsékletét mérjük meg. Ez lesz az egyensúlyi hőmérsékletünk a későbbi számolások során. T(I = 0) = T(0) = 14,9±0,1 C = 288,05±0,1 K Ezután megkerestem azt a helyzetet, ahol az áram lekapcsolása után a 0 V feszültésget mértem. 4.2. A hőmérséklet időfüggése T 0 = 13,9±0,1 C = 287,05±0,1 K A rendszerre 2, 2 A áramot kapcsoltam, majd az idő függvényében lejegyeztem a hőmérsékletet. A mérés eredményeit a (1). táblázat tartalmazza. t(s) T ( C) t(s) T ( C) t (s) T ( C) t (s) T ( C) 0 14,1 100 0,1 200-4,5 300-5,9 10 13,2 110-0,6 210-4,7 310-6,0 20 11,2 120-1,3 220-4,9 320-6,1 30 9,2 130-1,9 230-5,1 340-6,2 40 7,4 140-2,4 240-5,3 360-6,3 50 5,7 150-2,9 250-5,4 380-6,4 60 4,4 160-3,3 260-5,5 410-6,5 70 3,1 170-3,6 270-5,6 450-6,6 80 2,0 180-3,9 280-5,7 540-6,7 90 1,0 190-4,2 290-5,8 600-6,8 1. táblázat. A hőmérséklet az idő függvényében Az időmérés hibája T = 0,1 C, az időmérésé t = 0,1s. Az adatokra exponenciális görbét illesztettem: Az illesztett paraméterek: A görbe a (1). ábrán látható. T(t) = Ae t τ +T A = 21,82±0,14 C τ = 88±1,1 s T = 6,71±0,07 C 4

15 Illesztett egyenes Adatok 10 T [ C] 5 0-5 0 100 200 300 400 500 600 t [s] 1. ábra. Az exponenciális görbe 3 Illesztett egyenes Adatok 2.5 ln (T-T ) [ln C] 2 1.5 1 0 50 100 150 200 t [s] 2. ábra. A linearizált görbe 5

A linearizált esetben 10 200 C között vettem figyelembe az adatokat, ekkor az illesztett egyenes egyenlete, és a paraméterek: ln(t T ) = 1 τ +lna 1 τ = 85,89 s lna = 3,101±0.007ln( C) A laborban a mérés folyamán ezt a τ megbecsülésére használtuk, ezért a továbbiakban az exponenciális görbe illesztésekor kapott értékekkel számolok tovább. 4.3. A maximális hőmérsékletkülönbség meghatározása A mért adatokat a (2). táblázat tartalmazza. I (A) T(0) ( C) T(0) (K) U (V) 1,2 0,9 274,05 1,56 3,1-11,3 261,85 3,05 4,0-13,9 259,25 3,72 4,3-13,8 259,35 3,65 4,5-14,4 258,75 4,32 4,7-14,3 258,85 3,92 4,9-14,4 258,75 4,05 5,3-14,3 258,85 4,19 6,0-13,4 259,75 4,83 7,0-11,3 261,85 5,21 7,0-11,5 261,65 5,22 7,9-11,4 261,75 5,14 8,0-7,0 266,15 5,88 2. táblázat. Az egyensúlyi hőmérséklet az áramerősség függvényében Az áramerősségmérés hibája I = 0.2 A, a hőmérsékleté T = 0.1 C és a feszültségé U = 0.01 V. Az adatoknak az alábbi parabolára kell illeszkedniük: T(I) = αi2 +β γi +1 6

276 274 Illesztett Adatok 272 270 T [K] 268 266 264 262 260 258 1 2 3 4 5 6 7 8 I [A] 3. ábra. Az egyensúlyi hőmérséklet az áramerősség függvényében Az illeszte görbe paraméterei: α = 1,11±0.02 ΩK W β = 286.51±0.5 K γ = 0.0431±0,0009 V W Innen kiszámolható I min és az ehhez tartozó T min. ( ) I min = 1 1+ βγ2 γ α 1 = 5,007±0,11 A T min = αi2 min +β γi min +1 = 258,6±2,1 K Az áram függvényében a feszültség ábrázolásakor egyenest kell illesztenünk. Az egyenest az origóba tolva, I min helyettesítésével kapjuk U min -t. 7

6 Illesztett Adatok 5.5 5 U [V] 4.5 4 3.5 3 3 4 5 6 7 8 I [A] 4. ábra. Az áramerősség-feszültsé egyenes Az illesztett egyenes: U(I) = AI +B A paraméterek: A = 0,55±0.04 V A B = 1.44±0.2 V A számolt U min = 4,18±0.15 V. A Seebeck-együttható: AT 0 Peltier-együtthatója: A hűtőelem jósági tényezője: S ab = U min T 0 = 0.0146±0.0001 V K P ab (T 0 ) = U min = 4,18±0.15 V z = 2(T(0) T min) T 2 min = 8,51 10 4 ±4 10 6 1 K 8

4.4. A Seebeck-együttható közvetlen mérése Az elméleti részben tárgyaltak értelmében az U p Peltier-elemen eső feszültséget a hőmérséklet függvényben mérve, a mért pontok egy egyenesre illeszkednek, melynek meredekségének az abszolút értéke Seebeck-együttható. A rendszerre állandó áramot kapcsoltam az egyensúly beálltáig, majd kikapcsoltam, és rögzítettem az adatokat. T(0) ( C) U (mv) T(0) ( C) U (mv) T(0) ( C) U (mv) 0,0 150 7,8 68 11,7 25 0,5 140 8,5 60 11,9 22 1,5 140 9,0 54 12,1 20 2,5 125 9,5 49 12,3 18 3,0 120 10,0 43 12,5 16 3,7 112 10,2 41 12,7 14 4,0 108 10,4 39 12,8 12 4,6 102 10,7 36 13,0 10 5,5 92 10,9 34 13,2 8 6,2 84 11,1 31 13,3 7 6,8 78 11,3 29 13,4 5 7,3 72 11,5 27 13,6 3 3. táblázat. A Seebeck-együttható közvetlen mérése 160 140 Illesztett Adatok 120 100 U [mv] 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 T [K] 5. ábra. A Seebeck-együttható mérésének grafikonja 9

A Seebeck-együttható értéke: S ab = 0.01085±0.00006 V K 4.5. Az áramkör jellemzői A fenti adatokból számolhatóak az áramkör egyéb jellemzői, az ellenállás és a hővezetési együttható: R ab = T mins ab I min = 0.56 Ω±11 mω Λ ab = S2 ab zr ab = 0.247 W K ±7,9 mw K Hivatkozások [1] Böhönyey - Havancsák - Huhn: Mérések a klasszikus fizika laboratóriumban, Szerkesztette: Havancsák Károly, ELTE Eötvös Kiadó, Budapest, 2003. 10