Kylning med Peltierelement

Laborationens syften

Försöket avser att bestämma parametrer av Peltierelement.

Termoelektriska fenomen

I ftf-kursen har vi redan sett att det finns kontaktpotentialer och att dessa beror på temperatur. Det ger upphov till termoelektriska spänningar, se video. Spänningen är proportionell mot skillnaden i temperatur mellan två kontakter:
V = α (T₁ - T₂), där α är Seebeck-koefficienten. Fenomenet används för att mäta temperatur (termokoppel). Seebeckeffekt kan också användas för att generera elektrisk energi, som i den termoelektriska generatorn i figuren nedan till vänster.

Om man styr en elektrisk ström genom kontakterna, uppstår en temperaturskillnad. Detta upptäcktes 1834 av Jean-Charles Peltier. Den elektriska strömmen förflyttar värme från den kalla kontakten till den varma övergången. Den praktiska tillämpningen av effekten är nästan alltid för att kyla.

Värmetermerna av Peltierelement

Den essentiella termen i värmet är den termoelektriska termen som ges av produkten av Seebeck-koefficient, elektrisk ström och lokal temperatur. Värmeutvecklingen är negativ för den ena sidan (kalla sidan) och positiv för den varma sidan. Skillnaden är den elektriska effekten P = IV (visa detta!), så att energi är bevarad. Effektiviteten är lika med effektiviteten för en Carnotprocess.

Men det finns två förlusttermer som gör processen irreversibel. Den första är elementets elektriska motstånd R. Den ger en värmeutveckling proportionell mot strömmen i kvadrat. Elementet kan antas vara symmetrisk, så att hälften av det ohmska värmet hamnar på den kalla sidan och hälften på den varma sidan: P = I²R/2. Man ser att allt för stora elektriska strömmar ger mer värmeutveckling än kylning.

Den andra förlusttermen är värmeläckage inuti elementet, som ges av P = L × Δ T där L är elementets värmelednings-förmåga och ΔT är temperaturskillnaden. Denna term begränsar temperaturskillnaden vid små strömmar.

Parametrerna α, R och L bestämmer elementets prestanda.

Förberedelseuppgifter

Visa att verkningsgraden är lika med den av en Carnotprocess om irreversibla termer kan försumma.

Härled formler för:

• elementets temperaturskillnad ΔT i steady state som funktion av ström;
• elementets maximala temperaturskillnad ΔT_max
• den elektriska strömmen som ger denna maximala temperaturskillnad;
• kyleffekt och kylfaktor vid denna ström och temperaturskillnad.

Beskriv metoder för att

• bestämma elementets Seebeck-koefficient α.
• bestämma elementets elektriska motstånd R.
• bestämma elementets värmeledningsförmåga L.

Försöksutrustning

• Multimetrar, dekadmotstånd
• Termometrar, termokoppel, tejp
• Värmebad, is
• Stabiliserad spänningsaggregat

Genomförande

I valfri ordning:

• Bestäm elementets Seebeck-koefficient α.
• Bestäm elementets elektriska motstånd R.
• Bestäm elementets värmeledningsförmåga L.
• Mät elementets steady-state temperaturskillnad ΔT som funktion av ström.

Bearbetning

Redogörelsen för den här laborationen måste vara ganska utförlig.

Länkar

• Kylväska