Peltier element

Datum: augustus-september 2009

Inleiding:

Het is al weer een flinke tijd geleden dat ik op de site van Conrad experimenteerdozen aan het bekijken was en de experimenteerset met thermogenerator zag staan (€ 30). Ik was onmiddellijk geïntrigeerd en kon de verleiding niet weerstaan om deze aan te schaffen.

Principe:

Een Peltier element is een thermo-elektrische warmtepomp.

Materiaal:

  • De experimenteerset bevat bakjes, een peltierelement, aluminium profielen, klemmen, kabels, propeller, elektromotor en een handleiding.
  • ijsblokjes
  • heet water
  • multimeter
  • IR thermometer
  • voedingsbron
  • Weerstand (of decadebank)
  • Wasknijper

Uitvoering:

  • Bouw de opstelling op zoals in de handleiding beschreven staat (Zie achtergrondinformatie) en weergegeven is op onderstaande foto.
  • Verbindt de multimeter met de kabels.
  • Doe in een bakje heet water en in het andere ijsblokjes.
  • Observeer
  • Meet de spanning met de multimeter en noteer deze terwijl het temperatuurverschil kleiner wordt.
  • Herhaal het experiment maar nu zonder elektromotor en propeller.

  • Neem het Peltierelement en verbindt de + draad (rood) met een weerstand
  • Verbindt deze weerstand met de + van een voedingsbron
  • Verbindt de zwarte draad van het Peltier element met de - van de voeding.
  • Klem het Pletierelement in een wasknijper zodat deze rechtop blijft staan.
  • Zet de voedingsbron aan en wacht enige tijd.
  • Gebruik de IR thermometer om aan beide zijden van het element de temperatuur van het element te meten.

Resultaat:

Op onderstaand filmpje is te zien dat de propeller draait en dat er een spanning gemeten wordt.

YouTube link: Peltier element
Meetresultaten:
      
Grafisch weergegeven:
De data is gefit in Excel en gebaseerd op de beste correlatiecoëfficiënt zonder daar een model aan te koppelen.
Het resultaat van het derde experiment is weergegeven in onderstaande foto's. Zoals we kunnen zien heeft het Peltierelement een warme kant van ca. 27 °C en een koude kant van ca. 20 °C. De voedingsspanning was 3 V groot en de weerstand 10 Ohm.

Discussie en conclusie:

De Quick-Cool thermogenerator wekt stroom uit warmte en kou op. Als er warmte door het Peltier-element stroomt, wordt er direct stroom opgewekt en door dit experiment met dit bouwpakket uit te voeren demonstreren we het zgn. thermo-elektrische effect. Als het ene vat met heet water en het andere vat met koud (ijs) water wordt gevuld, vloeit de warmte van het warme water door het aluminium profiel naar de thermo-elektrische generator (Peltier-element) en vandaar door het andere aluminium profiel in het koude water. Hoe groter het temperatuurverschil is, hoe meer warmte er vloeit en hoe meer stroom er wordt opgewekt zoals men in bovenstaande meetdata duidelijk kan waarnemen.

Een Peltier element bestaat uit twee keramische plaatjes met daartussen een serie kleine thermo-elektrische cellen gemaakt van positief geladen materiaal (P-type) of negatief geladen  halfgeleider materiaal (N type). Deze halfgeleiders zijn door een goed geleidend materiaal (bijv. koper) met elkaar verbonden.  Warmte die cel binnenkomt zorgt ervoor dat het energieniveau van sommige elektronen stijgt waardoor deze uit het kristalrooster kunnen ontsnappen en door het N type materiaal kunnen migreren. Gaten migreren door het P type materiaal. Het migreren van elektronen is kenmerkend voor het lopen van een stroom. 

Als men een stroom van plus naar min te laten lopen, komt er een elektronenstroom van min naar plus op gang en ontstaat er een warmteverschil zoals men in het derde experiment heeft kunnen waarnemen.

J.C.E. Peltier ontdekte in  1834 dat als een elektrische stroom vloeit langs de grenslaag van twee verschillende geleiders er warmte vrijkomt of geabsorbeerd wordt in deze grenslaag. De stroomrichting bepaald wanneer warmte vrijkomt of geabsorbeerd wordt, het zgn. "Peltier effect". Het omgekeerde van dit effect, als er warmte door een Peltier-element stroomt wordt er direct stroom opgewekt heet "Seebeck effect". Beide effecten heeft men kunnen observeren in bovenstaande experimenten. In feite zijn deze twee processen hetzelfde, alleen verlopen zij in omgekeerde richting. Daarom worden zij tezamen ook wel het Peltier-Seebeck effect of thermo-elektrisch effect genoemd.

Peltier effect circuit.png

SA en SB zijn Seebeck coëfficiënten

Uit bovenstaande algemene vergelijkingen volgt:

Indien A het doorsnede oppervlak is van de draden in de loop dan geldt voor de elektrische stroom en de warmtestroom:

Het is nu eenvoudig in te zien dat indien de loop bestaat uit een materiaalsoort (dus een constante Peltier-coëfficiënt), de warmtestroom in ieder punt van de loop hetzelfde zal zijn en er geen warmte-uitwisseling is met de omgeving. Echter voor een loop bestaande uit twee verschillende materialen, zoals weergegeven in onderstaande figuur zal er een sprong optreden in de warmtestroom bij de verbindingen vanwege de verschillende Peltier-coëfficiënten.

De afgifte of opname van warmte is als volgt te schrijven:

met PA en PB de Peltier-coëfficiënten van de materialen. Dit is het z.g.n. Peltier-effect waarbij warmte wordt getransporteerd van de ene positie naar de andere zonder dat daarbij temperatuurgradiënten voor nodig zijn.

Literatuur:

  • Edmund J. Winder, Arthur B. Ellis, George C. Lisensky; 'Thermoelectric Devices: Solid_sate Refrigerators and Electrical Generators in the Classroom'; Journal of Chemical Education; 73 10 1996; p. 940-946.
  • J.H. Noon, B.J. O'Brien; 'Sophomore Experiments in Thermoelectricity'; American Journal of Physics; 26 1958; p. 373-375.
  • R G Chambers; 'Thermoelectric effects and contact potentials'; Physics Education; September 1977; p. 374-380.
  • R. C. Dougal; 'A simple apparatus to demonstrate the Peltier Effect'; Physics Education; November 1974; p. 458-461.
  • P. E. Richmond, 'The Peltier Effect'; Physics Education; September 1966; p. 145-153.
  • Yaakov Kraftmahker; 'Simple experiments with a thermoelectric module'; European Journal Physics; 26 2005; p. 959-967.
  • Yu-Wei Cahng, Chih-Chubg Chang, Ming-Tsun Ke, Sih-Li Chen; 'Thermoelectric air cooling module for electronic devices'; Applied Thermal Engineering; 2009 29, p. 2731-2737.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Men neemt een weerstand in de stroomkring op om de stroom te limiteren. Een Peltier element is niet goed bestand tegen hoge Amperages.

Achtergrondinformatie:

JEAN CHARLES ATHANASE PELTIER (1785-1845) was een Franse natuurkundige die op 22 februari 1785 in Ham (bij de Somme) geboren werd. Van oorspong was hij een horlogemaker, maar veranderde op 30 jarige leeftijd van beroep door zich te richten op wetenschap. Hij was een scherp observator maar ook een goede experimentator die veel gepubliceerd heeft.
Zijn aandacht ging uit naar atmosferische elektriciteit, cyanometrie, polarisatie van het licht in de atmosfeer, waterhozen, de temperatuur van water in sferoïdale toestand  en het kookpunt op grote hoogtes.  Zijn naam is echter vooral gekoppeld aan het thermische effect dat optreedt in grensvlakken in een stroomcircuit, het  "Peltier effect" dat hij in 1834 ontdekte.  Het "Peltier effect" is de directe omzetting van een elektrische stroom in een temperatuursverschil, die optreedt op het grensvlak tussen twee verschillende metalen of halfgeleiders. Peltier stierf in Parijs op 27 October 1845.
 
Thomas Johann Seebeck was een Duits natuurkundige die op 9 April 1770 in Reval (tegenwoordig Tallinn geheten) in Estland geboren werd.

Seebeck werd geboren in Reval, het tegenwoordige Tallinn in Estland, als zoon van een welvarende koopmansfamilie. Hij behaalde in 1802 een graad in de medicijnen aan de universiteit van Göttingen, maar besloot om daarna natuurkunde te gaan studeren. In 1821 ontdekte hij het thermo-elektrische effect waarbij een overgang tussen twee verschillende metalen een elektrische spanning produceert wanneer het aan een temperatuursverschil wordt blootgesteld. Dit effect wordt tegenwoordig gebruikt in thermokoppels. Seebeck stierf in Berlijn op 10 december 1831

 

Handleiding:

12/01/2017