温差发电演示仪
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摘 要 长期以来，因为受到生产成本和转换效率的限制，温差发电技术的应用一直局限于高科技和军事、航天等领域。目前，一方面部分人开始致力于研究高优值系数及低成本的热电材料；另一方面部分人开始致力于温差发电应用研究。本演示仪通过模拟工厂降温用废水作为热源，利用普通冷水作为冷端水源，通过冷热两端的温差让发电片发电。经过一系列复杂的物理过程及电子控制过程的准确配合，完成了温差发电及冷端水循环系统，能提供温差发电、电磁炮、机械控制、杠杆做功、光电检测等多项物理过程演示。
关键词 半导体 温差发电 电磁炮
中图分类号：TM913 文献标识码：A
0引言
温差发电、热电效应等在大学教学中很少出现。这对现今飞速发展的科技是很不利的。温差发电最大困难是温差太小，能量密度太低，所以本文在基于简单温差发电原理的基础上，针对增大冷热端温差设计了一款简易温差发电演示仪。通过温差发电仪的演示能让实验者看到利用冷热源温差产生电能的过程，感受到温差发电在实际工程中的用处。最终实现将抽象的理论变成形象的实验现象再联系到实际生产生活中去。
1整个系统的结构
1.1主要机械部分
1.1.1发电装置
由下而上分别是：散热器、半导体温差发电片、热水箱。由于单片发电片发出的电能有限，因此将多片相互串联。热水箱外面加装保温的塑料泡沫，最后，通过支架固定整个装置。
1.1.2电磁炮
电磁炮的主体部分是由外部缠绕了多圈漆包线的PVC管，以及管内的强磁体组成。强磁体通过细线悬挂在支架上，强磁体一端粘连了笔杆，另一端粘连了弹簧。笔杆的作用是方便悬线，保证强磁体方向不变，并且能自动返回PVC管内。弹簧的作用是当强磁体被弹射的时候能将弹簧另一端的钢制弹射到更远的地方，减少直接碰撞时产生的能量损失。
1.1.3.弹射轨道
弹射轨道是有两根平行的钢条焊接在一起后弯成一定弧度而形成的上升斜坡轨道。轨道下端保持水平，方便接收电磁炮从水平方向弹射出来的钢珠，钢珠在弧形轨道上滚动，当达到最高点后掉入设计好的孔内，孔的下方是杠杆装置的重物端，钢珠正好能掉入其中。
1.1.4杠杆装置
杠杆的两端分别挂着一个钢管和水桶，正常情况下水桶质量大于钢管，因此钢管在高处，水桶在低处。由于水桶下方有个孔，孔上方有一活动的硅胶片，当水桶往水中沉时，水便由小孔进入桶内，最终水桶将装满水。钢管用来接轨道上掉出的钢珠。当接收到的钢珠总质量大于水桶中水的质量时，水桶连同水一起被提起，此时，水桶中的硅胶片将底部的孔堵住，水不往外流。但水被提到一定高度后，水将从水桶旁的软管流出，因为此时水面高度高于软管出口。
1.1.5返回导轨装置
整体部分是一根带有槽的四方铝管，有槽的一面用作导轨，它从小球滚下的位置连接到弹射导轨。中间有个电机控制钢珠是否通过，当电机转动一次，将通过一个钢珠，钢珠沿导轨回到弹射导轨，并最终停留在弹簧前方，等待被电磁炮弹射到高处。
1.2电子部分
（1）电源控制系统：主要由4个10000uf电容和稳压电路组成。3个电容存储的电量供给电磁炮及控制钢珠的电机使用。另外1个电容为单片机控制系统及光电检测系统提供稳定的电压。
（2）光电检测系统：光电检测系统是由光电开关和9013三极管放大电路组成的，用来检测弹簧前方是否有钢珠及控制电机转动的位置，检测到的结果送单片机，以调节系统工作节奏。
（3）返回轨道钢珠控制器：由小电机、两个光电开关和电机控制电路组成。两个光电开关分别监测着电机的上位点及下位点，当电机转动到下位点时，单片机控制电机停止转动，处于待命状态，在需要释放钢珠时，单片机控制电机反向转动，当转动上位点时停止转动，此时一个钢珠将被放回电磁炮。当钢珠到达电磁炮位置时，单片机控制电机转回下位点，等待下一次命令。
电机的正反转电路是由4个9013三极管构成，能形成X形电流，通过单片机控制三极管的导通来形成正向或反向电流，从而控制电机的转动方向。
（4）控制系统：采用 ATMEGA16单片机作为核心控制器，控制着整个系统的运行。
2系统工作原理
系统未工作时，杠杆装置的提水端的小桶浸入水中，并装满水，将重物端提起。当通过外部给发电装置加热时，发电片通过冷热两端的温差产生电。产生的电传输到电源控制装置，通过AD转换来控制电容充电电压。当控制系统PB0端口（输出为高电平1时，温差发电片产生的电将存储在电容中。电源控制系统三个电容的电供给电磁炮及钢珠控制器，用AD转换控制充电电压便可控制电磁炮的工作电流，以不至于将钢珠弹飞。当弹出轨道光电信号检测装置检测到有小球在弹出轨道时，这时候会给控制系统PB2端口（一个高电平信号，控制系统PB1端口）输出一个高电平信号，使可控硅导通，电磁炮将钢珠弹出，这时返回轨道的钢珠控制器也开始工作。小球沿着轨道上升，最终落在杠杆装置的重物端。当小球足够多，多到能够将提水端提起时，水桶位置被抬高，水桶里的水通过导管流出到斜坡。当水流完时，重物端的钢珠由于自身重力太大而向返回导轨装置倾斜，小球全部滚入返回导轨，滚到导轨的钢珠控制器处停止，杠杆装置提水端下降到水面继续提水。通过小电机的顺时针转动，让最前面的小球进入到小电机前面的铝槽部分，这个小球刚好卡在这个槽，不会再向前滚动，后面的小球也被挡住在铝槽之外。随着电机的逆时针转动，转动到上位点位置时，卡在铝槽的小球恰好可以滚出，滚回到弹出轨道，进入电磁炮，等待再次被弹射出去。
3结语
本演示仪在热水箱有开水时可按照工作流程自动工作，完美地展示了温差发电、电磁炮、光电检测、机械控制等多个物理过程。在西南石油大学物理演示与探索实验室（成都市科普基地）演示，反响良好。
4致谢
在此感谢学校相关部门机构对制作演示仪提供的支持和帮助。感谢参考文献的作者，感谢周云旭和谢照顺老师，他们在演示仪的完成过程中提供了宝贵的理论知识和实践的指导。他们严谨的治学作风、兢兢业业的工作精神和求精、求实的科学研究理念将对我们以后独立学习和工作产生深刻的影响。
参考文献
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