TP thermoelectrique - energie-environnement

POMPE A CHALEUR THERMOELECTRIQUE
1. Principe/Objectif
L'objectif de la manipulation est de mettre en évidence les différents effets thermoélectriques.
Ceux-ci sont le résultat du transport de différentes charges microscopiques selon des modes
différents.
En effet, d'une façon simplifiée, on peut représenter le courant électrique comme le
déplacement de particules portant une charge électrique, les électrons ou les ions. Lorsque ces
particules se déplacent avec leur charge, un déséquilibre électrique se crée donnant lieu à une
zone chargée plus et une zone chargée moins, soit une différence de potentiel.
Aussi, d'une façon simplifiée, on peut considérer la température comme une mesure de
l'agitation, donc du mouvement des particules. Si dans une zone de l'espace, des particules
s'agitant beaucoup peuvent, par chocs successifs, transmettre une partie de leur énergie
"d'agitation" à des particules plus "calmes" d'une zone voisine, alors il y aura transmission de
la chaleur; lorsque en moyenne toutes les particules des deux zones auront la même agitation,
on parlera d'équilibre thermique.
Dans les milieux conducteurs, ou semi conducteurs, les électrons sont porteurs de charges
électriques et thermiques (ils ont chacun une charge électrique élémentaire et une quantité de
mouvement). Il est possible alors, que lorsque des électrons passent d'un milieu à un autre où
leur mobilité change, une différence de potentiel s'accompagne d'une différence de
température et réciproquement.
Dans cette manipulation, les différentes formes de ce couplage électrique/thermique seront
mises en évidence ainsi que leurs applications.
2. Matériel
Pour mettre en évidence ce couplage on
dispose des dispositifs suivants :
 Deux milieux semi conducteurs N et P
où la mobilité des électrons est très
différente.
 Deux thermomètres permettant de
mesurer la température de chacun des
milieux semi conducteurs.
 Un générateur électrique permettant
d'imposer un même courant électrique
dans chaque semi conducteur.
 Un générateur de chaleur permettant
d'imposer un flux de chaleur dans
chaque semi conducteur.
L'installation
expérimentale
schématisée sur la figure suivante :
+
V
-
N
A
A
+
est
-
P
V
3. Consignes de sécurité
La température des thermomètres ne devra jamais dépasser les 80°C
4. Manipulation
Les différentes expériences pouvant être réalisées consistent à alimenter le couple semi
conducteur d'abord avec de l'électricité seule, puis avec de la chaleur seule, puis avec les deux
ensemble.
Les interrupteurs de la face avant de l'installation permettent de fermer le circuit
d'alimentation électrique du couple semi conducteur (Peltier/Générateur), d'en inverser la
polarité (Seebek/Thomson) et de fermer le circuit électrique de chauffage (/).
4.1 Effet PELTIER
L’effet Peltier est l’apparition d’une différence de température aux bornes d’un couple
thermoélectrique parcouru par un courant électrique.
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position arrêt.
Tourner les potentiomètres complètement à gauche. Mettre les quatre interrupteurs comme
indiqué sur le schéma PELTIER.
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position marche.
Augmenter par incréments la puissance du couple semi conducteur en tournant le
potentiomètre de droite dans le sens des aiguilles d'une montre (vers la droite) et attendre la
stabilisation des températures puis relever les différentes grandeurs. Ne pas dépasser 70°C.
Relever les températures, la tension aux bornes du module et le courant dans le module.
V
+ A
4.1.1 Tracer les températures coté
chaud Tc et coté froid Tf et la
différence de température en
fonction
de
la
puissance
électrique Pelec du module
thermoélectrique.
4.1.2 Tracer l’allure de la puissance
dégagée par effet Joule et
commenter les différences
+
-
4.2 Effet THOMSON ou LENZ
L’effet Thomson est l’inversion de la différence de température aux bornes d’un couple
thermoélectrique lorsque la polarité électrique est inversée.
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position arrêt.
Tourner les potentiomètres complètement à gauche. Mettre les quatre interrupteurs comme
indiqué sur le schéma LENZ.
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position marche.
Augmenter par incréments la puissance du couple semi conducteur en tournant le
potentiomètre de droite dans le sens des aiguilles d'une montre (vers la droite) et attendre la
stabilisation des températures puis relever les différentes grandeurs. Ne pas dépasser 70°C.
Relever les températures, la tension aux bornes du module et le courant dans le module.
V
- +
A
4.2.1 Tracer les températures et la
différence de température en
fonction
de
la
puissance
électrique
du
module
thermoélectrique.
4.2.2 Commenter
les
courbes
obtenues et les différences par
rapport au cas précédent
+
-
4.3 Effet SEEBECK
L’effet Seebeck est l’apparition d’une différence de potentiel aux bornes d’un couple
thermoélectrique soumis à une différence de température.
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position arrêt.
Tourner les potentiomètres complètement à gauche. Mettre les quatre interrupteurs comme
indiqué sur le schéma SEEBECK.
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position marche.
Augmenter par incréments la puissance de chauffe en tournant le potentiomètre de gauche
dans le sens des aiguilles d'une montre (vers la droite) et attendre la stabilisation des
températures puis relever les différentes grandeurs. Ne pas dépasser 80°C.
Relever les températures, et la tension aux bornes du module.
V
A
A
+
-
4.3.1 Tracer
la
différence
de
température en fonction de la
tension électrique du module
thermoélectrique.
4.3.2 Calculer les coefficients Peltier
 et Seebeck  définis par les
dV
dV
relations :   T m et   m
dT
dT
V
4.4 Générateur thermo-électrique
Les manipulations précédentes montrent qu’il est possible avec un couple thermoélectrique de
transformer l’énergie électrique en énergie thermique et réciproquement. Une application
possible est la réalisation d’un moteur qui à partir de deux sources (une froide et une chaude)
produit de l’électricité.
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position arrêt.
Tourner les potentiomètres complètement à gauche. Mettre les quatre interrupteurs comme
indiqué sur le schéma GENERATEUR.
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position marche.
Augmenter par incréments la puissance de chauffe en tournant le potentiomètre de gauche
dans le sens des aiguilles d'une montre (vers la droite) et attendre la stabilisation des
températures puis relever les différentes grandeurs. Ne pas dépasser 80°C.
Relever les températures, la tension et le courant du module, et la puissance de chauffe.
V
4.4.1 Tracer la puissance électrique
R
du module thermoélectrique en
fonction de la différence de
A
température et de la puissance
de chauffe.
A
-
4.4.2 Calculer le rendement du
générateur et le comparer au
rendement
de
Carnot
+
V
4.5 Pompe à Chaleur
A l’inverse de la manipulation précédente le couple thermoélectrique peut être utilisé pour
transporter de la chaleur d’une source chaude à une source froide à partir d’une puissance
électrique et fabriquer ainsi un réfrigérateur ou un chauffage.
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position arrêt.
Tourner les potentiomètres complètement à gauche. Mettre les quatre interrupteurs comme
indiqué sur le schéma PELTIER et mettre en marche l'appareil de chauffage (ON).
Mettre l'interrupteur alimentation en courant en position marche.
Augmenter par incréments simultanément la puissance de chauffe et la puissance électrique
du module en tournant le potentiomètre de gauche et de droite dans le sens des aiguilles d'une
montre (vers la droite) de façon à maintenir la température coté froid à la température
ambiante puis relever les différentes grandeurs. Ne pas dépasser 80°C.
Relever les températures, la tension et le courant du module, et la puissance de chauffe.
V
+ A
4.5.1 Tracer
le
coefficient
de
performance
frigorifique
en
fonction de la puissance du
module.
4.5.2 Commenter
A
+
V
-
les
résultats.