IEPhO 2019, Експеримент, 9. клас — Задача 3.6

В задаче не требуется оценка погрешностей!

Теоретическая справка

Элемент Пельтье — термоэлектрический полупроводниковый прибор, использующийся в технике для двух принципиальных целей: создания эффективного теплоотвода от тепловыделяющих объектов и выработки электричества от созданной сторонним путем разности температур. Внутреннее устройство элемента Пельтье изображено на рисунке 1, рассмотрим его подробно. На каждой из керамических подложек элемента расположены металлические пластины, поделенные на секторы. Металлические пластины соединяют между собой полупроводники $p-$ и $n-$типов.

Известно, что при протекании тока от полупроводника $p-$типа к полупроводнику $n-$типа в области их контакта идет выделение тепла, при протекании же тока в обратном направлении идет поглощение тепла. Рассмотрим элемент, изображенный на рисунке 1. Пусть ток протекает от положительного электрода к отрицательному. Тогда все контакты, в которых тепло выделяется, оказываются на нижней керамической подложке, а все контакты, на которых тепло поглощается, — на верхней. Такая работа элемента Пельтье позволяет рассматривать его, как тепловой насос, передающий тепло от холодной пластины к горячей. Направление создаваемого им теплового потока можно регулировать, изменяя полярность подключения элемента Пельтье.

Количество тепла, выделяемого или поглощаемого в одном контакте, пропорционально протекшему через контакт заряду. Тогда выделяющаяся или поглощающаяся в одном контакте мощность пропорциональна силе текущего через него тока. Суммарная мощность, передаваемая от одной пластины к другой, пропорциональна количеству контактных пар на ней. Для описания этой мощности вводится коэффициент Пельтье $\Pi$ — коэффициент пропорциональности между суммарной мощностью $N_{\mathrm{P}}$ и силой тока $I$, текущего через элемент:

Теперь рассмотрим работу элемента Пельтье в качестве генератора электричества. При соединении двух полупроводников друг с другом возникает контактная разность потенциалов — напряжение, зависящее от температуры соединения. Если температура верхнего и нижнего соединений в элементе Пельтье одинакова, контактные разности потенциалов компенсируют друг друга. Когда температуры контактов отличаются друг от друга, разности потенциалов на холодном и горячем соединениях становятся разными, таким образом на каждой элементарной ячейке образуется ЭДС равная разности величин контактных разностей потенциалов на горячем и холодном соединении. Так как все ячейки подключены последовательно, суммарная ЭДС $\mathscr{E}_{\mathrm{T}}$ на всем элементе складывается из ЭДС каждой элементарной ячейки. Очевидно, что $\mathscr{E}_{\mathrm{T}}$ зависит от температуры холодной и горячей поверхности.

Внимание! Не подключайте элемент Пельтье к источнику питания напрямую без обеспечения его охлаждения (см. 2 пункт условия).

После окончания работы необходимо вытереть термопасту со всех частей установки.

Перед подключением элемента Пелетье к источнику питания выкрутите все ручки до упора влево (в положение "0")

Оборудование. Лабораторный источник питания, элемент Пельтье, соединительные провода, мультиметр, термометр без металлического кожуха, радиатор, емкость с холодной водой, металлическая чашка, термопаста, горячая вода по требованию, шприц (20 мл), стакан с холодной водой, бумажные полотенца (для поддержания чистоты рабочего стола).

Примечание. Показания напряжения и тока источника питания усредняйте при необходимости.