半导体热电效应演示实验优化

解晓颜，李 理，胡建民，李将禄，王月媛

(哈尔滨师范大学，黑龙江 哈尔滨 150025)

半导体热电效应演示实验优化

解晓颜，李 理，胡建民，李将禄，王月媛

(哈尔滨师范大学，黑龙江 哈尔滨 150025)

对半导体热电效应演示实验装置进行优化改进，使用大屏数字温度计显示Peltier效应的温度变化，通过声、光、电多种形式展示Seebeck效应的温差发电效果，优化后热电效应演示实验装置实验演示效果显著增强。

热电效应；演示实验

热电效应又称温差电效应。主要包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应[1]。Seebeck效应是将热能转化为电能，而Peltier效应是将电能转换为“冷”或“热”，Thomson效应与上述两种效应相伴生。热电效应演示实验是固体物理和半导体物理教学的重要内容，提高实验的演示效果一直是教学工作者的研究目标。谢春[2]、陆云凤[3]等人将两种不同金属材料相接与电流计组成闭合回路，实验设计简单而容易操作。须雪忠[4]通过增加加热时间或改变金属材料实施探究性教学。上述演示实验设计的只是Seebeck效应演示。张哲皇[5]对半导体电堆供以正向电流电堆制热并达额定温度后自动切断电源，改变电流方向后电堆制冷。电堆输入电流和温度变化可通过数字温度表及电流表读出，演示效果明显直观。上述实验只展示了Peltier效应，不能同时演示Peltier效应和Seebeck效应。为此，前期本课题组研制的半导体热电效应演示装置利用Peltier效应获得的温差进行Seebeck效应演示，从而实现一台设备同时演示两种效应[6]。该演示装置在Peltier效应的展示中，通过改变电流方向实现制冷和制热面的变换，冰盒中的水相应地会出现结冰或沸腾现象。但是，演示实验所需时间相对较长，同时在课堂教学演示中也不适合远距离观察。为进一步增强热电效应演示实验教学的课堂演示效果，本文在此基础上对演示实验装置进行了优化改造。

1 优化方法

在Peltier效应演示实验中原有热电效应演示装置通过换向开关改变电流方向，冰盒中的水会出现结冰或沸腾现象，但是制冷要3 min左右才开始结冰，加热需要2～3 min才有气泡产生，实验演示所需时间相对较长，并且冰层较薄或气泡较小，从而影响教学演示效果。为增强热电器件的加热和制冷效果，本文使用大屏电子温度计测量并显示冰盒中的水温，温度示数反应灵敏，演示效果明显提高。电子温度计接入电路示意图如图1所示。

图1 半导体热电效应演示装置示意图

在Seebeck效应演示实验中原有热电效应演示装置使用3 V直流电动机带动叶轮转动演示温差发电效果。为了进一步增强教学演示效果，使热电效应演示装置能够更好地用于科技展示和大型课堂教学演示，本文优化改进后的热电效应演示装置电路原理示意图如图1所示。由图1可见，热电效应演装置的稳压电源(5)设有两路输出，一路接半导体制冷片(8)，制冷片上表面设有冰盒，冰盒与半导体之间均匀涂抹导热硅脂；另一路则接数字显示温度表(9)。为保护半导体制冷片，使用风扇对制冷片发热面进行散热，制冷片的制冷或加热过程通过电流转向开关(6)来实现，Seebeck效应和Peltier效应之间的转换通过单刀双掷开关(7)来实现(简称SP开关)。

2 实验操作步骤

首先进行Peltier效应实验演示。接通电源之前向冰盒中加适量水，电流转向开关置于制冷位置，SP转换开关置于P，接通电源，数字温度计示数开始下降，证明半导体制冷片已开始工作，产生制冷效果。

在进行Seebeck效应演示实验时，断开总电源开关，将单刀双掷开关(7)接到S端，三相转换开关(1)分别可以与音乐盒(2)、电动机(3)和LED灯珠(4)相接，从而分别通过声、光、电实现温差发电效应的演示。电动机带动直径为5 cm的彩色叶轮，醒目而有趣。此外，SP转换开关置于P还可以演示半导体制冷片的制热效果，电源转向开关置于加热位置，接通总电源，温度计示数开始逐渐升高，最后可达到沸腾。

3 结 论

本文对热电效应演示装置进行了优化改造，使用大屏数字温度计记录Peltier效应演示实验的温度变化，通过声、光和电多种形式展示Seebeck效应，使实验演示效果显著增强。优化后的热电效应演示装置不仅可以用于小组近距离观察实验还可以用于大型课堂的远距离实验演示。

[1] 胡建民.固体物理学教程[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2010：213-218.

[2] 谢春.热电效应演示器[J].实验教学与仪器，2010，27(4)：45.

[3] 陆云凤，陆之和.热电转换演示器的设计与制作[J].物理教学，2012，34(9)：40-41.

[4] 须雪忠，臧文或.利用热电效应演示装置实施探究性教学[J].物理教学探讨，2004，22(1)：52-53.

[5] 张哲皇，李学金.珀尔贴效应演示仪的研制[J].大学物理实验，1999，12(4)：43-46.

[6] 王月媛，黄升民，胡建民.热电效应演示实验[J].大学物理实验，2005，18(1)：50-51.

Optimization of Demonstration Experiment of Semiconductor Thermoelectric Effect

XIE Xiao-yan,LI Li,HU Jian-min，LI Jiang-lu,WANG Yue-yuan

(Harbin Normal University,Heilongjiang Harbin 150025)

The equipment of the demonstration experiment of the semiconductor thermoelectric effect is optimized.The large-screen digital thermometer showing the temperature changes of Peltier effect is used.The thermoelectric effect of Seebeck effect is displayed by sound,light,electricity.The demonstration effect of the equipment is significantly enhanced after optimization.

thermoelectric effect；demonstration experiment

2016-06-19

黑龙江省高等学校教改工程项目(JG2013010361)；黑龙江省高等教育学会教育科研课题(16Z040)

1007-2934(2016)06-0101-02

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.027