PRÁCTICA 6 TERMOELECTRICIDAD. MÓDULO … · 2010-09-17 · Microsoft Word - 06_print.docx Author:...
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6‐1
PRÁCTICA6
TERMOELECTRICIDAD.MÓDULOPELTIER
OBJETIVO
EstudiodelosefectosSeebeckyPeltierenunmódulodeparestermoeléctricos.
MATERIALNECESARIO! 2polímetros! Cablesdeconexión! FuentedealimentaciónDCde2.5Ay12V
! Bombadeacuario! Hieloyrecipienteparaelbañohielo‐agua
INTRODUCCIÓNTEÓRICA
Un módulo termoeléctrico o módulo Peltier consiste en un circuitoeléctricoenelquesedisponenalternativamentedosconductoresdistintos(fig.1).Lageometríadelmódulohadepermitirquelatemperaturadelasunionespuedatenerdosvaloresdistintos,
€
T1y
€
T2(fig.1).Ennuestrocasoelmóduloestáformadopor71paresdesemiconductorespyndetelerurodebismuto(
€
Bi2Te3).
Figura1.Esquemadelmódulo.
€
T1y
€
T2temperaturasdelosbloques.FAeslafuentedealimentación.
Unadiferenciadetemperaturas
€
ΔT =T2−T1entrelosbloquesencircuitoabiertogeneraunaf.e.m.térmica(efectoSeebeck)
€
ET =αΔT , (1)
endonde
€
α eslapotenciatermoeléctricadelmódulo(71vecesmayorquelapotenciatermoeléctricadeunparp‐n).
Enel circuitode la figura1 tenemosunmóduloyuna fuentedealimentación (FA).Paradeterminar lacorrienteeléctrica
€
I hemosdetenerencuentalaf.e.m.térmicadelmóduloyladiferenciadepotencial
€
V impuestaentrelosbornesdelaFA,esdecir
€
V −αΔT =Rmódulo I (2)
donde
€
Rmóduloeslaresistenciaeléctricadelmódulo.
n
p
T T1 2
(+)
(-) FA
Cu
Cu
6‐2
Lacorrienteeléctricadesarrollaenelmódulootroefecto(efectoPeltier)encircuitocerrado.Alpasardelsemiconductornalpsecedeenergíaalaunión,creándoseunadiferenciadetemperaturasentrelosdosbloques.Siseinvierteelsentidodelacorriente,seinvertiráasimismoladiferenciadetemperaturas(québloquesecalientaycuálseenfría).
PROCEDIMIENTOEXPERIMENTAL
Elóhmetro(Ω)mideelvalordelaresistenciadelostermistores(
€
R1 y
€
R2)colocadosenlosbloques;así
podremosconocerlastemperaturas
€
t1y
€
t2.Paracalcular
€
t(C)apartirdeR(kΩ),seaplicalarelación
€
t(C)=4260.43−0.0573798
lnR+9.66725−273.15 (3)
En esta práctica vamos a estudiar el circuito delmódulo termoeléctrico endos situaciones: en circuitoabiertoyencircuitocerrado.
Circuitoabierto.EfectoSeebeck
SepreparaelmontajemostradoenlaFigura2:laFAseconectaalaresistenciaeléctricaembutidaenelbloque 2. El circuito eléctrico del módulo queda abierto: el voltímetro medirá la tensión
€
V entre losterminales (+) y (‐). El procedimiento a seguir se inicia preparando el baño agua+hielo que ha derefrigerarelbloque1.
Alponerenmarchalabomba,sehadecomprobarqueelaguacircula;encasocontrariosedebecebar labomba.
Acontinuaciónseajusta la tensióndesalidade laFAaunos8Vduranteunos instantes.Elbloque2secalentaráporencimadelatemperaturaambiente.
Apaga tanto la refrigeración como la calefacción. Espera a que los bloques vuelvan a alcanzar unatemperaturasimilar.ConectalabombaylaFAytomadatosduranteunosminutos,aintervalosde30s,delas tres magnitudes
€
R1 ,
€
R2 y
€
V . Representa los resultados
€
V frente a
€
ΔT y calcula la potenciatermoeléctricadelmódulo.Tenpresentequeesimportantequelalíneaderegresión
€
V =αΔT paseporelorigen.
Notasobreseguridad:EnestemontajelaFAnodebetrabajarconunpotencialdesalidasuperiora8V.Encasocontrario,elbloque2alcanzarátemperaturaselevadasdañandoalmódulo.
Figura2.‐Funcionamientodelmóduloencircuitoabierto.
6‐3
Circuitocerrado.EfectoPeltier
MontaelcircuitodelaFig.3sinencenderlaFA.¡¡¡Nointercalesenelcircuitoningunaresistenciadecarga(1,2o3Ω),sefundirían!!Notengasinconvenienteenllamaralprofesorparaquereviseelmontaje.
DuranteunbrevetiempoenciendelaFAyajustalaintensidadaunvalorpróximoa1,0A,quesepuedeleerenlapantalladelamperímetroembutidoenlaFA.
Unavez losbloqueshanvueltoaalcanzar lamismatemperatura,conectademodopermanente laFAyempiezaaanotarduranteunosminutos,aintervalosde30s,losvaloresde
€
R1 ,
€
R2,
€
V e
€
I .Elvalorde
€
I suelemantenerseconstante;encasodequevaríemodificalaposicióndelbotóndeintensidadenlaFA.Enestascondicionessecumple
€
V =αΔT +Rmódulo I .
Notasobreseguridad:Sedebeinterrumpirlaexperienciacuandosemidanvaloresde
€
R1o
€
R2menoresde22,5kΩ.Deestemodoningunodelosbloquessuperaráellímitedelos60°C.
Figura3.‐Esquemadefuncionamientoencircuitocerrado.
PRESENTACIÓNDERESULTADOS
(a) Experimento en circuito abierto. Con los valores
€
t1,
€
t2 y
€
V representa la recta de regresión
€
V = f (Δt)quepaseporelorigen.Acontinuacióncalculalapotenciatermoeléctricadelmódulo
€
α .(b) Experimentoencircuitocerrado.Conlosvalores
€
t1,
€
t2,
€
V ,
€
I y
€
α (estaúltimahasidoobtenidaenelapartadoanterior)determinalaecuacióndelarecta
€
y = f (x) ;
€
y ≡V ,
€
x ≡ Δt .Como
€
I sehamantenido constante, calcula el valorde
€
Rmódulo . Representa también
€
Ti (i =1, 2) respecto altiempo.
(c) Alavistadelosresultadosobtenidoscomentalosefectostermoeléctricosquehasobservado.
CUESTIONESCOMPLEMENTARIAS
Se sabe que el flujo de energía en el circuito eléctrico tiene el mismosentidoquelaintensidaddecorrienteeléctrica.Dadoelpequeñovalordelaresistenciaeléctricadelmóduloelflujodeenergía
€
JCu quesaleesunpoco menor que el que entra; incluso aquí llegamos a más puesconsideramos el valor de
€
JCu igual en cualquier sección de losconductoresdecobre.
Sepregunta:
(d) Elflujodeenergía
€
Jn ¿esmayoromenorque
€
Jp?
n
p
T T1 2
(+)
(-) FA
Cu
Cu
ab
d e
6‐4
(e) Elflujodeenergía
€
Jn ¿esmayoromenorque
€
JCu?(f) Señalaelsentidodelosflujosdeenergíaena(entreelexterioryelbloque1),b(entreelbloque
1yelmódulo),d(entreelmóduloyelbloque2)ye(entreelbloque2yelexterior).(g) Losflujosdeenergíaena,b,dyesonflujosdecalor.Losflujos
€
JCu ,
€
Jn y
€
Jp sonflujosdeenergíaperonodecalor:¿porqué?