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.