Demonstratie Seebeck Effect Met Een Thermokoppel

In deze opstelling wordt het Seebeck-effect gedemonstreerd met behulp van meerdere type T thermokoppels. Het Seebeck-effect is een fundamenteel principe in de thermoelectriciteit, waarbij een spanningsverschil wordt gegenereerd in een circuit bestaande uit twee verschillende metalen die op verschillende temperaturen worden gehouden. Dit fenomeen, ontdekt door Thomas Johann Seebeck in 1821, vormt de basis voor veel toepassingen in temperatuurmeting en energieopwekking. In deze opstelling wordt dit effect visueel duidelijk doordat er een LED gaat branden zodra er een voldoende meetbare spanning gaat lopen door het circuit.

Materialen:

• Arduino
• Breadboard
• Plastic bakje (hier gebruikt: https://www.ikea.com/nl/nl/p/nojig-organizer-kunststof-beige-70457487/)
• Plywood plaat 600x450x3 mm
• Plexiglas plaat 300x400x3 mm en 150x200x6 mm
• LED 1x
• Föhn
• Usb-C kabel
• 450 cm koperdraad (diameter 0.2mm)
• 450 cm constantaandraad (diameter: 0.5mm)
• Soldeertin
• Weerstand (240 Ohm) 1x
• Krimpkous 20x
• Jumper kabels M2M 3x
• Jumper kabels M2F 2x
• Houtlijm
• Modelbouwlijm, moet hittebestendig zijn

Gereedschap:

• Soldeerbout
• Föhn
• Striptang
• Kniptang
• (Kolom)boormachine
• boortje met diameter van 0.6 mm

Skills:

• Solderen
• Lijmen
• Werken met Arduino software

Allereerst zijn er een aantal bestanden die door de lasersnijder uitgesneden moeten worden.

'5-behuizing-versie1.svg' moet gesneden worden uit de 300x400x3 mm plexiglas plaat. (1)

'5-dradenhouder-versie2.svg' moet gesneden worden uit de 150x200x6 mm plexiglas plaat. (2)

'5-meetopstelling-versie1.svg' moet gesneden worden uit de 600x450x3 mm Plywood plaat. (3)

Vervolgens kan (1) met behulp van de modelbouwlijm in elkaar gezet worden. Zorg er hierbij voor dat de kleine openingen voor de draden aan de linkerkant zitten en de grotere openingen voor de föhns aan de rechterkant zitten. (zoals ook te zien op de foto)

Dan kan (3) in elkaar gezet worden en verlijmd worden met houtlijm. Daarna kunnen de twee houten strips aan de bovenkant vastgelijmd worden op de plek waar het hout gegraveerd is.

Met (2) kan nu de thermokoppel gebouwd worden. Begin aan een kant met een stuk koperdraad van 40cm en haal dit door het eerste gaatje van de plexiglas plaat. Steek door het volgende gat een stuk constantaandraad van 20 cm en verbind de uiteinden van de twee draden door ze in elkaar te draaien en de uiteindes te solderen. (zie de foto) Nu kan de andere kant op dezelfde manier verbonden worden met een volgend stuk koperdraad van 20 cm. Dit proces wordt steeds herhaald totdat er 20 thermokoppels gemaakt zijn. Zorg er hierbij voor dat de draden aan de ene kant 15cm uitsteken en aan de andere kant 5cm. Aan het andere uiteinde zul je moeten eindigen met een stuk constantaan van 40 cm.

Nadat alle draden in elkaar gedraaid zijn kunnen de draden aan de 'lange' kant geïsoleerd worden met de krimpkousjes. Rijg de draden door de kousjes en verwarm deze vervolgens met een föhn zodat ze krimpen en mooi aansluiten.

Om de thermokoppel uiteindelijk met de Arduino te verbinden hebben we jumper kabels moeten solderen aan de uiteindes. Plaats de thermokoppel in de uitgesneden gleuf in de houten meetopstelling en rijg aan de zijkant de twee lange draden door de daarvoor bestemde gaatjes. Knip een van de M2M kabels door en soldeer de ene helft vast aan het lange stuk koperdraad en de andere aan het constantaandraad.

Nu kan de volledige opstelling in elkaar gezet worden. Boor aan de bovenkant twee gaatjes waar de LED doorheen gestoken kan worden. Bevestig aan de onderkant van de LED twee M2F jumper kabels. De rest van het elektrische circuit kan als volgt in elkaar gezet worden:

1. ⁠⁠Verbind de constantaan draad met de ingangspoort van de arduino (A0).
2. ⁠Verbind de koperdraad van het thermokoppel met de Ground van de Arduino (GND).
3. ⁠Verbind vervolgens de 240 Ohm weerstand met de uitgangspoort van de Arduino (IO13 bijvoorbeeld).
4. De andere kant van de weerstand wordt verbonden met de anode (+) van de LED
5. ⁠De kathode (-) van de LED verbind je vervolgens met de GND (naast IO13) van de Arduino.
6. Sluit de Arduino aan op een laptop met de usb-c kabel.

Plaats tot slot het bakje voor het water in de opstelling en plaats de plexiglas behuizing bovenop, zorg ervoor dat de lange kant van de draden aan de kant van het water zitten en de korte kant door de plexiglas behuizing gestoken worden. Let op dat de uiteinden van de draden elkaar niet raken!

Om het effect uiteindelijk aan te tonen wordt de Arduino gebruikt. Met behulp van onderstaande code wordt deze geïnstrueerd de LED te laten branden zodra er voldoende spanning gemeten wordt. Download onderstaande code en programmeer hiermee de Arduino.

Als nu de warme kant met behulp van een föhn verwarmd wordt, zal er een spanning van ongeveer 70 mV gaan lopen. Zodra deze door de Arduino gemeten wordt, zal de LED gaan branden. Pas wel op met de föhn dat deze niet te lang een plek verwarmd, dan kan het te heet worden. Pas ook op met omstaanders, zorg ervoor dat zij voldoende afstand bewaren van de warme föhn.