یخچال افکت پلتیه. عنصر peltier چیست، دستگاه آن، اصل عملکرد و کاربرد عملی. عوامل موثر بر کارایی TEM

04.08.2020

همچنین بخوانید

تعبیر خواب بمباران، چرا خواب بمباران را در خواب ببینید

ما رویاهای مربوط به رودخانه و هر چیزی که با آن مرتبط است را تعبیر می کنیم

در سال 1834 توسط J. Peltier که کشف کرد هنگامی که جریان از محل اتصال دو هادی مختلف عبور می کند، دمای محل اتصال تغییر می کند. در سال 1838، E. Kh. Lenz نشان داد که با قدرت جریان به اندازه کافی بزرگ، می توان با تغییر جهت جریان، یک قطره آب را که روی یک اتصال قرار می گیرد، منجمد کرد یا به جوش آورد.

ماهیت اثر پلتیه این است که وقتی جریان الکتریکی از تماس دو فلز یا نیمه هادی در ناحیه تماس آنها عبور می کند، علاوه بر گرمای معمول ژول، مقدار اضافی گرما آزاد یا جذب می شود. گرمای پلتیه نامیده می شود Q ص. برخلاف گرمای ژول که متناسب با مجذور جریان است، مقدار Q صمتناسب با توان اول جریان

Q p \u003d P. I. تی.

تی- زمان جریان فعلی،

من- قدرت فعلی

پ- ضریب پلتیه، ضریب تناسب، بسته به ماهیت مواد تشکیل دهنده تماس. مفاهیم نظری بیان ضریب پلتیه را بر حسب ویژگی های میکروسکوپی الکترون های رسانا ممکن می سازد.

ضریب پلتیه P = T دیآ، جایی که تیدمای مطلق است و Δ α - تفاوت ضرایب ترموالکتریک هادی ها جهت جریان تعیین می کند که آیا گرمای پلتیه آزاد می شود یا جذب می شود.

دلیل این اثر این است که در صورت تماس بین فلزات یا نیمه هادی ها، اختلاف پتانسیل تماس داخلی در سطح مشترک ایجاد می شود. این منجر به این واقعیت می شود که انرژی پتانسیل حامل ها در هر دو طرف تماس متفاوت می شود، زیرا میانگین انرژی حامل های جریان به طیف انرژی، غلظت و مکانیسم های پراکندگی آنها بستگی دارد و در هادی های مختلف متفاوت است. از آنجایی که میانگین انرژی الکترون های دخیل در انتقال جریان در هادی های مختلف متفاوت است، در فرآیند برخورد با یون های شبکه، حامل ها انرژی جنبشی اضافی به شبکه می دهند و گرما آزاد می شود. اگر در طول انتقال از طریق تماس، انرژی پتانسیل حامل ها کاهش یابد، انرژی جنبشی آنها افزایش می یابد و الکترون ها که با یون های شبکه برخورد می کنند، انرژی خود را به مقدار متوسط افزایش می دهند، در حالی که گرمای پلتیه جذب می شود. بنابراین، هنگامی که الکترون ها از یک تماس عبور می کنند، الکترون ها انرژی اضافی را به اتم ها منتقل می کنند یا به هزینه خود آن را دوباره پر می کنند.

در طول انتقال الکترون ها از یک نیمه هادی به یک فلز، انرژی الکترون های رسانای نیمه هادی بسیار بیشتر از سطح فرمی (به انرژی فرمی) فلز است و الکترون ها انرژی اضافی خود را از دست می دهند. اثر پلتیر به ویژه در نیمه هادی ها قوی است که برای ایجاد دستگاه های نیمه هادی خنک کننده و گرمایشی از جمله ایجاد یخچال های کوچک در واحدهای تبرید استفاده می شود.

وزارت آموزش و پرورش و علوم فدراسیون روسیه

مؤسسه آموزشی بودجه ایالتی فدرال

آموزش عالی حرفه ای

"دانشگاه دولتی کورسک"

دانشکده فیزیک و ریاضی

گروه فناوری نانو

کار دوره

با موضوع: "اثر پلتیه"

تکمیل شده توسط: دانش آموز سال سوم از گروه 36 Kakurina O.A.

بررسی شده توسط: دانشیار Chelyshev S.Yu.

مقدمه…………………………………………………………..3

1. تاریخچه کشف اثر……………………………………………………………

2. توجیه نظری………………………………………………6

3. اجرای فنی اثر………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………..12

4. برنامه های کاربردی…………………………………………………….19

نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………….

فهرست ادبیات استفاده شده………………………………………..23

معرفی

این کار به مطالعه یک پدیده ترموالکتریک اختصاص دارد که در آن گرما در طول عبور جریان الکتریکی در نقطه تماس (تصلاح) دو هادی غیرمشابه - اثر پلتیه آزاد یا جذب می شود. تاریخچه کشف این پدیده را ارائه می دهد، توجیه نظری آن را توصیف می کند، اجرای فنی اثر را در نظر می گیرد و مزایا و معایب عناصر پلتیه را ارائه می دهد.

اکتشافات پدیده های ترموالکتریک، به ویژه اثر پلتیه، پایه و اساس توسعه یک زمینه مستقل از فناوری - انرژی حرارتی را ایجاد کرد، که هم با تبدیل مستقیم انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی و هم به مسائل سرمایش و گرمایش ترموالکتریک می پردازد. تاریخچه کشف پدیده های ترموالکتریک بیش از 180 سال است. آنها فقط در اواسط قرن بیستم، یعنی 130 سال پس از کشف، استفاده عملی را دریافت کردند. در حال حاضر پدیده پلتیه کاربرد عملی گسترده ای دارد. به عنوان مثال، برای خنک کردن و کنترل دمای لیزرهای دیود به منظور تثبیت طول موج تابش استفاده می شود. در ترموستات؛ در تجهیزات نوری؛ برای کنترل فرآیند تبلور؛ به عنوان گرمایش برای اهداف گرمایشی. گسترده در فن آوری کامپیوتر؛ در دستگاه های رادیو الکتریک؛ در تجهیزات پزشکی و دارویی؛ در لوازم خانگی؛ در تجهیزات آب و هوایی؛ برای نوشیدنی های خنک کننده؛ در ابزار آزمایشگاهی و علمی؛ در یخ سازها؛ در دستگاه های تهویه مطبوع؛ برای دریافت برق؛ در کنتورهای الکترونیکی آب

هدف از این کار آشنایی با تاریخچه کشف اثر پلتیه، مطالعه پایه های فیزیکی آن، مطالعه عناصر مبتنی بر این پدیده، توسعه پیاده سازی های فنی اثر و نظام مند کردن دانش به دست آمده است.

1. تاریخچه کشف.

مجموعه ای از اکتشافات علمی در "دهه بزرگ" اوایل قرن نوزدهم، پایه های تسلط بر ترموالکتریکی را ایجاد کرد، که مطمئنا امیدوارکننده ترین جهت در صنعت انرژی در آینده است. جهت گیری های علمی در این زمینه به طور مداوم در حال توسعه است و دانشمندان روسی در مرکز این مطالعات قرار دارند.

تاریخچه کشف پدیده های ترموالکتریک بیش از 180 سال است. آنها فقط در اواسط قرن بیستم، یعنی 130 سال پس از کشف، و در درجه اول به لطف کار آکادمیک شوروی A.F. آیوف. آغاز توسط دانشمند آلمانی Seebeck Thomas Johann (1770 - 1831) گذاشته شد. او در سال 1822 نتایج آزمایشات خود را در مقاله "> منتشر کرد

دوازده سال بعد (1834) پس از کشف Seebeck، "اثر Peltier" کشف شد. این اثر معکوس اثر Seebeck است. این پدیده توسط فیزیکدان فرانسوی، هواشناس Peltier، Jean Charles Athanaz، کشف شد (شکل 1). فیزیک سرگرمی او بود. وی پیش از این به عنوان ساعت سازی برای شرکت A.L. Breguet، اما به لطف میراث دریافت شده در سال 1815، پلتیر توانست خود را وقف آزمایشات در زمینه فیزیک و مشاهده پدیده های هواشناسی کند. مانند سیبک، پلتیر نتوانست نتایج تحقیقات خود را به درستی تفسیر کند. به نظر او، نتایج به‌دست‌آمده نشان‌دهنده این واقعیت است که هنگام عبور از مدار جریان‌های ضعیف، قانون جهانی ژول-لنز در مورد آزاد شدن گرما توسط جریان جاری کار نمی‌کند. تنها در سال 1838، آکادمیک سن پترزبورگ لنتز، امیل کریستیانوویچ (1804-1865) ثابت کرد که "اثر Peltier" یک پدیده فیزیکی مستقل است که شامل آزاد شدن و جذب گرمای اضافی در اتصالات مدار در طول عبور مستقیم است. جاری. در این حالت، ماهیت فرآیند (جذب یا آزادسازی) به جهت جریان بستگی دارد. لنز در آزمایش خود با یک قطره آب که در محل اتصال دو هادی (بیسموت و آنتیموان) قرار گرفته بود، آزمایش کرد. وقتی جریانی از یک جهت عبور می کرد، یک قطره آب یخ می زد و با تغییر جهت جریان، ذوب می شد. بنابراین، مشخص شد که وقتی جریان از تماس دو هادی عبور می کند، گرما در یک جهت آزاد می شود و در جهت دیگر جذب می شود. بیست سال بعد، ویلیام تامسون (بعدها لرد کلوین) توضیح جامعی از اثرات Seebeck و Peltier و رابطه بین آنها ارائه کرد. روابط ترمودینامیکی به دست آمده توسط تامسون به او اجازه داد تا سومین اثر ترموالکتریک را پیش بینی کند که بعدها به نام او نامگذاری شد.

برنج. 1. Peltier Jean Charles Athanaz (1785 - 1845)

این اکتشافات پایه و اساس توسعه یک رشته مستقل از فناوری - مهندسی برق حرارتی - را ایجاد کرد که هم با تبدیل مستقیم انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی (اثر Seebeck) و هم با مسائل سرمایش و گرمایش ترموالکتریک (اثر Peltier) سروکار دارد. . در آغاز قرن نوزدهم، مهندس آلمانی Altenkirch این نظریه را توسعه داد و مفاهیم ضریب عملکرد و راندمان Z را معرفی کرد و نشان داد که اثر پلتیه بر روی اتصالات فلزی، به دلیل اختلاف دمای قابل دستیابی تنها چند درجه، است. برای استفاده عملی مناسب نیست و تنها چندین دهه بعد، عمدتاً از طریق تلاش‌های آکادمیسین A. Ioffe و نظریه راه‌حل‌های جامد که توسط او ایجاد شد، نتایج نظری و عملی به دست آمد که انگیزه‌ای برای کاربرد عملی گسترده اثر پلتیه ایجاد کرد.

2. توجیه نظری.

اثر پلتیه یک پدیده ترموالکتریکی است که در آن گرما با عبور جریان الکتریکی از نقطه تماس (اتصال) دو هادی غیرمشابه آزاد یا جذب می شود. مقدار گرمای آزاد شده و علامت آن بستگی به نوع مواد در تماس، جهت و قدرت جریان الکتریکی دارد.

بر خلاف گرمای ژول-لنز که متناسب با مجذور قدرت جریان است (Q = R·I2·t)، گرمای پلتیه متناسب با اولین توان قدرت جریان است و هنگامی که جهت دومی تغییر می کند، علامت تغییر می کند. . همانطور که مطالعات تجربی نشان داده اند گرمای پلتیه را می توان با فرمول زیر بیان کرد:

Qp \u003d P q (1)

که در آن q بار عبوری از کنتاکت است (q = I t)، P به اصطلاح ضریب پلتیه است که مقدار آن به ماهیت مواد در تماس و دمای آنها بستگی دارد.

مقدار گرمای آزاد شده Qp و علامت آن به نوع مواد در تماس، قدرت جریان و زمان عبور آن بستگی دارد:

dQп = П12 I dt (2)

در اینجا P12 = P1 - P2 ضریب پلتیه برای یک تماس مشخص است که مربوط به ضرایب مطلق پلتیه P1 و P2 مواد تماس است. فرض بر این است که جریان از نمونه اول به نمونه دوم می گذرد. هنگامی که گرمای Peltier آزاد می شود، داریم: QP > 0، P12 > 0، P1 > P2. هنگامی که گرمای Peltier جذب می شود، منفی در نظر گرفته می شود و بر این اساس: QП< 0, П12 < 0, П1 < П2. Очевидно, что П12 = – П21.

بعد ضریب پلتیه:

[P] SI = J / C = V.

به جای گرمای Peltier، اغلب از یک کمیت فیزیکی استفاده می شود که به عنوان انرژی حرارتی آزاد شده در هر ثانیه در تماس واحد سطح تعریف می شود. این مقدار که توان انتشار گرما نامیده می شود با فرمول تعیین می شود:

q P = П12 j، (3)

که در آن j = I / S چگالی جریان است. S ناحیه تماس است.

ابعاد این کمیت:

SI = W/m2.

برنج. 2. طرح آزمایش برای اندازه گیری گرمای پلتیه

(مس - مس، بی - بیسموت).

در طرح ارائه شده از آزمایش (شکل 2) برای اندازه گیری گرمای پلتیه، با همان مقاومت سیم های R (Cu + Bi) غوطه ور در کالری متر، همان گرمای ژول در هر کالری متر، یعنی Q آزاد می شود. = R I2 t. از طرف دیگر، گرمای پلتیر در یک کالریمتر مثبت و در دیگری منفی خواهد بود. مطابق با این طرح، اندازه گیری گرمای پلتیر و محاسبه مقادیر ضرایب پلتیه برای جفت هادی های مختلف امکان پذیر است. ضریب پلتیه به شدت به دما وابسته است. برخی از مقادیر ضریب پلتیر برای جفت های مختلف فلزات در جدول 1 ارائه شده است.

میز 1.

مقادیر ضریب پلتیر برای جفت های فلزی مختلف

ضریب پلتیر، که یک مشخصه فنی مهم مواد است، معمولاً اندازه گیری نمی شود، اما از طریق ضریب تامسون محاسبه می شود:

P = a T، (4)

که در آن P ضریب پلتیه، a ضریب تامسون، T دمای مطلق است.

کشف اثر پلتیه تأثیر زیادی بر پیشرفت بعدی فیزیک و بعداً در زمینه های مختلف فناوری داشت.

بنابراین، ماهیت اثر باز به شرح زیر است: هنگامی که یک جریان الکتریکی از تماس دو رسانای ساخته شده از مواد مختلف عبور می کند، بسته به جهت آن، علاوه بر گرمای ژول، گرمای اضافی آزاد یا جذب می شود که به آن پلتیر می گویند. حرارت. درجه تجلی این اثر تا حد زیادی به مواد هادی انتخاب شده و حالت های الکتریکی مورد استفاده بستگی دارد.

نظریه کلاسیک پدیده پلتیه را با این واقعیت توضیح می دهد که الکترون هایی که توسط جریان از فلزی به فلز دیگر منتقل می شوند، توسط اختلاف پتانسیل تماس داخلی بین فلزات شتاب یا کند می شوند. در حالت اول انرژی جنبشی الکترون ها افزایش می یابد و سپس به صورت گرما آزاد می شود. در حالت دوم، انرژی جنبشی الکترون ها کاهش می یابد و این اتلاف انرژی به دلیل ارتعاشات حرارتی اتم های هادی دوم دوباره پر می شود. نتیجه خنک شدن است. یک نظریه کامل تر، تغییر انرژی پتانسیل را در حین انتقال الکترون از فلزی به فلز دیگر در نظر نمی گیرد، بلکه تغییر انرژی کل را در نظر می گیرد.

در شکل 3 و شکل شکل 4 مدار بسته ای را نشان می دهد که از دو نیمه هادی مختلف PP1 و PP2 با کنتاکت های A و B تشکیل شده است.

برنج. 3. تولید گرمای Peltier (ترمینال A)

برنج. 4. جذب حرارت پلتیر (پین A)

به چنین مداری معمولاً ترموالنت و شاخه های آن ترموالکترود می گویند. یک جریان I که توسط یک منبع خارجی E ایجاد می شود، از مدار عبور می کند. 3 وضعیتی را نشان می دهد که در تماس A (جریان از PS1 به PS2 می رود) گرمای Peltier Qp (A) > 0 آزاد می شود و در تماس B (جریان از PS2 به PS1 هدایت می شود) جذب آن Qp (V) است.< 0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА >تلویزیون. در شکل 4، تغییر در علامت منبع، جهت جریان را به عکس تغییر می دهد: از PS2 به PS1 در تماس A و از PS1 به PS2 در تماس B. بر این اساس، علامت حرارت پلتیه تغییر می کند و نسبت بین دمای تماس: Qp (A)< 0, ТА < ТВ .

اثر پلتیه، مانند بسیاری از پدیده های ترموالکتریک، به ویژه در مدارهایی که از نیمه هادی هایی با رسانایی الکترونیکی (نوع n) و سوراخ (نوع p) تشکیل شده اند، مشخص است. چنین نیمه هادی هایی به ترتیب نیمه هادی های نوع n و p یا نیمه هادی های نوع n و p نامیده می شوند. وضعیتی را در نظر بگیرید که جریان در تماس از نیمه هادی سوراخ به الکترونیکی می رود. در این حالت، الکترون ها و حفره ها به سمت یکدیگر حرکت می کنند و پس از ملاقات، دوباره ترکیب می شوند. در نتیجه ترکیب مجدد انرژی آزاد می شود که به صورت گرما آزاد می شود. این وضعیت در شکل 1 در نظر گرفته شده است. 5، که نوارهای انرژی (Ec - نوار رسانایی، Ev - باند ظرفیت) را برای نیمه هادی های ناخالصی با سوراخ و رسانایی الکترونیکی نشان می دهد.

برنج. 5. تولید گرمای پلتیه در تماس نیمه هادی های نوع p و n

روی انجیر 6 (Ec - نوار رسانایی، Ev - باند ظرفیت) جذب گرمای پلتیه را برای حالتی نشان می‌دهد که جریان از n- به p-نیمه هادی می‌رود.

برنج. 6. جذب حرارت پلتیه در تماس نیمه هادی های نوع p و n

در اینجا، الکترون ها در الکترونیک و حفره های نیمه هادی های حفره در جهت مخالف حرکت می کنند و از سطح مشترک دور می شوند. از دست دادن حامل های جریان در ناحیه مرزی به دلیل تولید جفتی الکترون ها و حفره ها دوباره پر می شود. تشکیل چنین جفت هایی نیاز به انرژی دارد که از ارتعاشات حرارتی اتم های شبکه تامین می شود. الکترون‌ها و حفره‌های به‌دست‌آمده توسط میدان الکتریکی در جهت مخالف منتقل می‌شوند. بنابراین، در حالی که جریان از طریق تماس جریان می یابد، تولد جفت های جدید به طور مداوم رخ می دهد. در نتیجه گرما در تماس جذب می شود. نیمه هادی های رسانایی نوع p و n در یخچال های ترموالکتریک استفاده می شوند (شکل 7).

برنج. 7. استفاده از نیمه هادی های نوع p و n در یخچال های ترموالکتریک.

3. اجرای فنی اثر.

ترکیب تعداد زیادی از جفت نیمه هادی های نوع p و n به شما امکان می دهد عناصر خنک کننده ایجاد کنید - ماژول های Peltier با قدرت نسبتاً بالا.

ماژول Peltier (عنصر Peltier) یک مبدل ترموالکتریک است که اصل عملکرد آن بر اساس اثر Peltier است.

ساختار یک ماژول ترموالکتریک Peltier نیمه هادی در شکل 1 نشان داده شده است. هشت

برنج. 8. ساختار ماژول Peltier.

ماژول Peltier یک یخچال ترموالکتریک متشکل از نیمه هادی های نوع p و p است که به صورت سری به هم متصل شده اند و اتصالات p-n و n-p را تشکیل می دهند. هر یک از این انتقال ها با یکی از دو رادیاتور تماس حرارتی دارد. در نتیجه عبور جریان الکتریکی با قطبیت خاص، اختلاف دما بین رادیاتورهای ماژول Peltier ایجاد می شود: یک رادیاتور مانند یخچال کار می کند، رادیاتور دیگر گرم می شود و برای حذف گرما کار می کند. روی انجیر شکل 9 ظاهر یک ماژول معمولی Peltier را نشان می دهد.

برنج. 9. ظاهر ماژول Peltier.

یک ماژول معمولی اختلاف دمای قابل توجهی را ارائه می دهد که چندین ده درجه است. با خنک کردن اجباری مناسب رادیاتور گرمایش، رادیاتور دوم - یخچال، اجازه می دهد تا به دمای منفی برسد. برای افزایش اختلاف دما، اتصال آبشاری ماژول های ترموالکتریک Peltier به شرط خنک شدن کافی امکان پذیر است. این به ابزارهای نسبتاً ساده اجازه می دهد تا اختلاف دما قابل توجهی را بدست آورند و از خنک شدن مؤثر عناصر محافظت شده اطمینان حاصل کنند. روی انجیر شکل 10 نمونه ای از اتصال آبشاری ماژول های معمولی Peltier را نشان می دهد.

برنج. 10. نمونه ای از اتصال آبشاری ماژول های Peltier

دستگاه های خنک کننده مبتنی بر ماژول های Peltier اغلب به عنوان خنک کننده های فعال پلتیر یا صرفاً خنک کننده های Peltier شناخته می شوند (شکل 11). استفاده از ماژول های Peltier در خنک کننده های اکتیو باعث می شود آنها به طور قابل توجهی کارآمدتر از انواع استاندارد خنک کننده های مبتنی بر هیت سینک ها و فن های سنتی باشند. با این حال، در فرآیند طراحی و استفاده از کولرهای با ماژول‌های پلتیر، لازم است تعدادی از ویژگی‌های خاص ناشی از طراحی ماژول‌ها، اصل عملکرد آن‌ها، معماری سخت‌افزار کامپیوتر مدرن و عملکرد سیستم در نظر گرفته شود. و نرم افزار کاربردی

برنج. 11. ظاهر کولر با ماژول Peltier

ویژگی اصلی دستگاه خنک کننده ترموالکتریک راندمان خنک کننده است:

Z = a2 / (rl)، (5)

که در آن a ضریب توان حرارتی است. r مقاومت است. l هدایت حرارتی ویژه نیمه هادی است.

پارامتر Z تابعی از دما و غلظت حامل بار است و برای هر دمای معین یک مقدار غلظت بهینه وجود دارد که در آن مقدار Z حداکثر است. وارد کردن ناخالصی های خاص به یک نیمه هادی اصلی ترین ابزار موجود برای تغییر شاخص های آن (a, r, l) در جهت مورد نظر است. دستگاه های خنک کننده ترموالکتریک مدرن کاهش دما را از +20 درجه سانتیگراد به 200 درجه سانتیگراد ارائه می دهند. ظرفیت خنک کننده آنها، به عنوان یک قاعده، بیش از 100 وات نیست.

ماژول های Peltier که به عنوان بخشی از وسایل خنک کننده الکترونیکی استفاده می شوند با قابلیت اطمینان نسبتاً بالایی مشخص می شوند و بر خلاف یخچال های سنتی، قطعات متحرک ندارند. و همانطور که در بالا ذکر شد، به منظور افزایش کارایی کار آنها، استفاده از آبشار را امکان پذیر می کند، که این امکان را فراهم می کند که دمای موارد عناصر الکترونیکی محافظت شده را حتی با قدرت اتلاف قابل توجه آنها به مقادیر منفی برساند. همچنین، ماژول برگشت پذیر است، یعنی. وقتی قطبیت DC معکوس می شود، صفحات گرم و سرد معکوس می شوند.

با این حال، علاوه بر مزایای آشکار، ماژول های Peltier دارای تعدادی خواص و ویژگی های خاص هستند که باید هنگام استفاده از آنها به عنوان بخشی از خنک کننده ها در نظر گرفته شوند. مهمترین ویژگی ها شامل ویژگی های زیر است:

ماژول های Peltier که در حین کارکرد خود مقدار زیادی گرما تولید می کنند، نیازمند وجود هیت سینک ها و فن های مناسب در کولر هستند که می توانند به طور موثر گرمای اضافی را از ماژول های خنک کننده خارج کنند. ماژول های ترموالکتریک با ضریب عملکرد نسبتا پایین (COP) مشخص می شوند و با انجام عملکردهای یک پمپ حرارتی، آنها خود منابع قدرتمند گرما هستند. استفاده از این ماژول ها به عنوان بخشی از وسایل خنک کننده برای قطعات الکترونیکی کامپیوتر باعث افزایش قابل توجه دما در داخل واحد سیستم می شود که اغلب به اقدامات و وسایل اضافی برای کاهش دمای داخل کیس کامپیوتر نیاز دارد. در غیر این صورت، افزایش دمای داخل کیس، نه تنها برای عناصر محافظت شده و سیستم های خنک کننده آنها، بلکه برای بقیه اجزای رایانه نیز مشکل ایجاد می کند. همچنین، ماژول های Peltier یک بار اضافی نسبتاً قدرتمند برای منبع تغذیه هستند. با در نظر گرفتن مقدار مصرف فعلی ماژول های Peltier، قدرت منبع تغذیه کامپیوتر باید حداقل 250 وات باشد. همه اینها منجر به مصلحت انتخاب مادربردهای ATX و کیس هایی با منبع تغذیه با توان کافی می شود. استفاده از این ساختار باعث می شود تا اجزای کامپیوتر بتوانند حالت های حرارتی و الکتریکی بهینه را سازماندهی کنند.

ماژول Peltier در صورت خرابی، عنصر خنک شده را از رادیاتور کولر جدا می کند. این منجر به نقض بسیار سریع رژیم حرارتی عنصر محافظت شده و شکست اولیه آن از گرمای بیش از حد بعدی می شود.

دمای پایینی که در حین کار یخچال های پلتیه با توان اضافی رخ می دهد به متراکم شدن رطوبت هوا کمک می کند. این امر برای قطعات الکترونیکی خطرناک است، زیرا تراکم می تواند باعث اتصال کوتاه بین عناصر شود. برای رفع این خطر، استفاده از یخچال های پلتیر با قدرت بهینه توصیه می شود. اینکه تراکم اتفاق بیفتد یا نه به پارامترهای مختلفی بستگی دارد. مهمترین آنها عبارتند از: دمای محیط (در این مورد دمای هوای داخل کیس)، دمای جسم خنک شده و رطوبت هوا. هرچه هوای داخل کیس گرمتر و رطوبت بیشتر باشد، احتمال تراکم رطوبت و در نتیجه خرابی قطعات الکترونیکی کامپیوتر بیشتر می شود.

علاوه بر این ویژگی‌ها، لازم است تعدادی از شرایط خاص مرتبط با استفاده از ماژول‌های ترموالکتریک Peltier به عنوان بخشی از خنک‌کننده‌هایی که برای خنک کردن پردازنده‌های مرکزی با کارایی بالا رایانه‌های قدرتمند استفاده می‌شوند، در نظر گرفته شود.

معماری پردازنده‌های مدرن (شکل 12) و برخی برنامه‌های سیستمی، بسته به بار پردازنده، تغییر در مصرف انرژی را فراهم می‌کنند. این به شما امکان می دهد مصرف انرژی آنها را بهینه کنید. در شرایط عادی، بهینه سازی پردازنده و مصرف انرژی آن تأثیر مفیدی هم بر روی رژیم حرارتی خود پردازنده و هم بر تعادل حرارتی کلی دارد. با این حال، باید توجه داشت که حالت‌های با تغییر دوره‌ای در مصرف انرژی ممکن است به خوبی با وسایل خنک‌کننده پردازنده‌ها با استفاده از ماژول‌های Peltier ترکیب نشوند. دلیل این امر این است که یخچال های پلتیر موجود عموماً برای کار مداوم طراحی شده اند.

برنج. 12. پردازنده با ماژول Peltier

برخی از مشکلات همچنین می تواند در نتیجه عملکرد تعدادی از عملکردهای داخلی، به عنوان مثال، آنهایی که فن های خنک کننده را کنترل می کنند، ایجاد شود. به طور خاص، حالت های مدیریت توان پردازنده در برخی از سیستم های کامپیوتری امکان تغییر سرعت فن های خنک کننده را از طریق سخت افزار داخلی مادربرد فراهم می کند. در شرایط عادی، این امر رفتار حرارتی پردازنده کامپیوتر را تا حد زیادی بهبود می بخشد. با این حال، در مورد استفاده از ساده‌ترین یخچال‌های پلتیر، کاهش سرعت چرخش می‌تواند منجر به بدتر شدن رژیم حرارتی با نتیجه مرگبار برای پردازنده در حال حاضر به دلیل گرم شدن بیش از حد آن توسط ماژول پلتیر شود، که علاوه بر انجام عملکرد یک پمپ حرارتی، منبع قدرتمند گرمای اضافی است.

لازم به ذکر است که مانند واحدهای پردازش مرکزی کامپیوتر، یخچال‌های پلتیر می‌توانند جایگزین مناسبی برای روش‌های سنتی خنک‌کننده چیپ‌ست‌های ویدئویی مورد استفاده در آداپتورهای ویدئویی با کارایی بالا باشند. عملکرد چنین چیپست های ویدئویی با اتلاف گرمای قابل توجهی همراه است و معمولاً در معرض تغییرات ناگهانی در حالت عملکرد آنها نیست.

برای رفع مشکلات حالت های برق متغیر که باعث تراکم رطوبت هوا و هیپوترمی احتمالی و در برخی موارد حتی گرم شدن بیش از حد عناصر محافظت شده مانند پردازنده های کامپیوتری می شود، باید از استفاده از این حالت ها و تعدادی دستگاه داخلی خودداری کنید. کارکرد. با این حال، به عنوان یک جایگزین، می‌توانید از سیستم‌های خنک‌کننده استفاده کنید که کنترل‌های هوشمندی را برای یخچال‌های پلتیر فراهم می‌کنند. چنین ابزارهایی می توانند نه تنها عملکرد فن ها را کنترل کنند، بلکه حالت های عملیاتی ماژول های ترموالکتریک مورد استفاده در خنک کننده های فعال را نیز تغییر می دهند.

کار در جهت بهبود سیستم ها برای اطمینان از شرایط دمایی مطلوب برای عناصر الکترونیکی توسط بسیاری از آزمایشگاه های تحقیقاتی انجام می شود. و سیستم های خنک کننده شامل استفاده از ماژول های ترموالکتریک Peltier بسیار امیدوار کننده در نظر گرفته می شوند.

4. برنامه های کاربردی.

زمینه های اصلی استفاده عملی از اثر پلتیه در نیمه هادی ها عبارتند از: به دست آوردن سرما برای ایجاد دستگاه های خنک کننده ترموالکتریک، گرمایش برای اهداف گرمایش، کنترل دما، کنترل فرآیند تبلور در شرایط دمای ثابت. ماژول های ترموالکتریک (TEM) در دستگاه های خنک کننده برای قطعات الکترونیکی و دستگاه های مختلف کنترل دما به دلیل سهولت کنترل دقیق الکترونیکی دما برای گرمایش و سرمایش استفاده می شوند.

حداکثر ظرفیت خنک کننده TEM در یک مقدار جریان مشخص به دست می آید که در یک مقدار معین از ولتاژ منبع تغذیه به صورت Imax نشان داده می شود. حالت منبع تغذیه غیر ثابت با پالس های جریان چندین برابر بیشتر از Imax، برای مدتی امکان به دست آوردن ظرفیت خنک کننده بسیار بالاتر از پلاک نام را فراهم می کند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که خود اثر پلتیه بر خلاف انتشار گرمای ژول و پدیده رسانایی حرارتی بدون اینرسی است و در عرض چند ثانیه می توان از آن استفاده کرد. با این حال، رژیم های غیر ثابت به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته اند.

به دلیل برگشت پذیری اثرات ترموالکتریک، TEM ها می توانند به عنوان ژنراتور ترموالکتریک (TEG) نیز مورد استفاده قرار گیرند. به دور از امکانات تمدن، این ممکن است یکی از معدود منابع انرژی الکتریکی موجود باشد، به عنوان مثال، برای شارژ مجدد باتری ها یا تغذیه مستقیم تجهیزات الکترونیکی یا سایر دستگاه ها. دستگاه هایی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند که در آنها اختلاف دما بین پوسته فلزی بیرونی که توسط آتش باز گرم می شود (آتش) و پوسته داخلی که توسط آب خنک می شود ایجاد می شود. سمت "سرد" با نقطه جوش آب محدود می شود، بنابراین چنین TEM باید برای دمای عملیاتی 500 - 600 درجه کلوین طراحی شود. باید در نظر داشت که تعادل حرارتی برای TEG از نظر کیفی با TEM بر اساس اثر پلتیه متفاوت است و این اثر (همراه با گرمای ژول) تنها چند درصد از سهم کل را تشکیل می دهد که نیاز به تاکید کاملاً متفاوت در طراحی TEG TEG ها به طور گسترده در فناوری فضایی استفاده می شوند، جایی که دمای سمت "گرم" توسط یک منبع رادیوایزوتوپ حفظ می شود. ضربان سازهای کاشته شده در بدن انسان نیز مجهز به TEG با منبع رادیوایزوتوپ برای ایجاد اختلاف دما هستند.

همچنین از عناصر پلتیر اغلب برای خنک سازی و کنترل دمای لیزرهای دیودی به منظور تثبیت طول موج تابش استفاده می شود. در وسایلی که قدرت خنک کنندگی آنها کم است، اغلب از عناصر پلتیر به عنوان مرحله خنک کننده دوم یا سوم استفاده می شود. این امکان دستیابی به دمای 30 تا 40 کلوین کمتر از خنک کننده های تراکمی معمولی را فراهم می کند.

نتیجه

اثر پلتیه توسط ژان چارلز پلتیه فرانسوی در سال 1834 کشف شد. هنگام انجام یکی از آزمایش‌ها، او جریان الکتریکی را از طریق نوار بیسموت با هادی‌های مسی متصل به آن عبور داد. در طول آزمایش متوجه شدم که یکی از ترکیبات مس بیسموت گرم می شود و دیگری خنک می شود. خود پلتیه ماهیت پدیده ای را که کشف کرده بود کاملاً درک نمی کرد. معنای واقعی این پدیده بعداً در سال 1838 توسط لنز توضیح داده شد. لنز در آزمایش خود با یک قطره آب که در محل اتصال دو هادی (بیسموت و آنتیموان) قرار گرفته بود، آزمایش کرد. وقتی جریانی از یک جهت عبور می کرد، یک قطره آب یخ می زد و با تغییر جهت جریان، ذوب می شد. بنابراین، مشخص شد که وقتی جریان از تماس دو هادی عبور می کند، گرما در یک جهت آزاد می شود و در جهت دیگر جذب می شود. این پدیده اثر پلتیه نام داشت.

تئوری کلاسیک پدیده پلتیه را با این واقعیت توضیح می دهد که وقتی الکترون ها توسط جریان از فلزی به فلز دیگر منتقل می شوند، توسط اختلاف پتانسیل تماس داخلی بین فلزات شتاب یا کند می شوند. در صورت شتاب، انرژی جنبشی الکترون ها افزایش می یابد و سپس به صورت گرما آزاد می شود. در حالت مخالف، انرژی جنبشی کاهش می یابد و انرژی به دلیل انرژی ارتعاشات حرارتی اتم های هادی دوم دوباره پر می شود، بنابراین شروع به خنک شدن می کند. یک بررسی کامل تر، تغییر را نه تنها در پتانسیل، بلکه در کل انرژی نیز در نظر می گیرد.

ماژول ها (عناصر) Peltier بر اساس اثر Peltier ایجاد شده اند. آنها از یک یا چند جفت متوازی الاضلاع نیمه هادی کوچک تشکیل شده اند که با استفاده از جامپرهای فلزی به صورت جفت به هم متصل می شوند. جامپرهای فلزی به طور همزمان به عنوان تماس های حرارتی عمل می کنند و با یک فیلم غیر رسانا یا صفحه سرامیکی عایق بندی می شوند. جفت های متوازی الاضلاع به گونه ای به هم متصل می شوند که یک اتصال سریالی از چندین جفت نیمه هادی با انواع مختلف رسانایی تشکیل می شود، به طوری که در بالا یک دنباله اتصال وجود دارد (n-\u003e p) و از پایین آنها مقابل (p-\u003e n). جریان الکتریکی به صورت متوالی در تمام متوازی الاضلاع جریان می یابد. بسته به جهت جریان، کنتاکت های بالایی خنک می شوند و قسمت های پایینی گرم می شوند - یا برعکس. بنابراین، جریان الکتریکی گرما را از یک طرف عنصر پلتیه به طرف مقابل منتقل می کند و اختلاف دما ایجاد می کند.

عناصر پلتیر چند مرحله ای برای خنک کردن گیرنده های تشعشع در حسگرهای مادون قرمز استفاده می شوند. در حال حاضر، آزمایش‌هایی بر روی تعبیه ماژول‌های مینیاتوری Peltier به طور مستقیم در ریزمدارهای پردازنده انجام می‌شود تا حیاتی‌ترین ساختار آن‌ها خنک شود. این راه حل با کاهش مقاومت حرارتی به خنک سازی بهتر کمک می کند و می تواند فرکانس کاری و عملکرد پردازنده ها را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.بنابراین، کشف اثر پلتیه تأثیر زیادی در پیشرفت بعدی فیزیک و بعداً در زمینه های مختلف فناوری داشت.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. دایره المعارف فیزیکی. - M .: دایره المعارف بزرگ روسیه، 1998. - V.5. - S. 98 - 99، 125.

2. Landau L.D., Lifshitz E.M. فیزیک نظری: Proc. کمک هزینه: برای دانشگاه ها. در 10. t. T. VIII. الکترودینامیک رسانه پیوسته - چاپ چهارم، Stereot.-M.: Fizmatlit، 2003. - 656 p.

3. Maripov A. مبانی فیزیکی الکترونیک. - B.: Polygraphbumresources, 2010. - 252 p.

4. Sivukhin S.D. درس عمومی فیزیک. - M.: Nauka، 1977. - V.3. برق. - S. 490 - 494.

5. Stilbans L.S. فیزیک نیمه هادی ها - M.: Sov. radio, 1967. - S.75 - 83, 292 - 311.

6. Narkevich، I. I.، Volmyansky، E. I. و Lobko، S. I. فیزیک برای مؤسسات آموزشی عالی فنی. - مینسک: دانش جدید، 2004. - 680 ص.

7. آیوف. A.F. ترمو عناصر نیمه هادی - M.; L.: انتشارات آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی، 1960. – ص 188

متن اثر بدون تصویر و فرمول قرار داده شده است.
نسخه کامل اثر در سربرگ «فایل های شغلی» با فرمت PDF موجود است

معرفی

اثر پلتیه یک پدیده ترموالکتریکی است که در آن گرما با عبور جریان الکتریکی از نقطه تماس (اتصال) دو هادی غیرمشابه آزاد یا جذب می شود.

اثر Seebeck پدیده ای از وقوع EMF در یک مدار الکتریکی بسته متشکل از هادی های غیر مشابه است که به صورت سری به هم متصل شده اند و تماس های بین آنها در دماهای مختلف است.

هر دوی این اثرات در قرن نوزدهم کشف شد: جی. پلتیر در سال 1834، ماهیت این پدیده چند سال بعد مورد بررسی قرار گرفت - در سال 1838 توسط لنز، که آزمایشی را انجام داد که در آن یک قطره آب را در یک شکاف قرار داد. محل اتصال دو میله بیسموت و آنتیموان. تی. آی سیبک اثری به همین نام را در سال 1821 کشف کرد. در سال 1822، او نتایج آزمایشات خود را در مقاله "درباره مسئله قطبش مغناطیسی برخی فلزات و سنگ معدنی که در اثر اختلاف دما به وجود می آیند" منتشر کرد، که در گزارش های منتشر شده از آکادمی علوم پروس

من به این موضوع علاقه مند بودم زیرا عناصری که در قرن نوزدهم اختراع شدند هنوز به طور موثر در دستگاه های مدرن استفاده می شوند. علیرغم اینکه در هر مورد یک عنصر با پارامترهای لازم انتخاب می شود، نظریه و منابع می گویند که عناصر قابل تعویض هستند. چه بخواهیم چه نخواهیم، قصد داریم در مطالعه خود بررسی کنیم.

فرمول مسئله:

هر دو اثر (اثر Peltier و اثر Seebeck) به طور گسترده در فناوری مدرن استفاده می شوند و اصل عملکرد عناصر ایجاد شده بر اساس آنها برای درک در چارچوب مطالعه یک دوره فیزیک مدرسه قابل دسترسی است. در ضمن در درس فیزیک مدرسه این اثرات ذکر نشده است. این اثر علاوه بر ارزش کاربردی، از جنبه روش شناختی مهمی نیز برخوردار است که با گنجاندن شرح دستاوردهای علمی مختلف در دوره مدرسه همراه است.

فرضیه تحقیق:هنگام استفاده از جلوه های مستقیم و معکوس Peltier و Seebeck تفاوت هایی وجود دارد.

هدف مطالعه:شناسایی ویژگی های متمایز اثر پلتیه و اثر Seebeck هنگامی که آنها در جهت جلو و عقب استفاده می شوند.

اهداف پژوهش:

برای مطالعه تاریخچه کشف اثر پلتیه و اثر سیبک.

برای بررسی ویژگی های اثر مستقیم و معکوس پلتیه، اثر مستقیم و معکوس سیبک.

یک تنظیمات برای آزمایش ایجاد کنید.

انجام یک سری آزمایش برای آزمون فرضیه.

نتایج آزمایش را تجزیه و تحلیل کنید و نتیجه بگیرید که آیا فرضیه تایید شده است یا خیر.

موضوع مطالعه:عنصر Peltier و عنصر Seebeck.

موضوع مطالعه:ویژگی های اثر مستقیم و معکوس اثر پلتیه و اثر مستقیم و معکوس سیبک.

روش های پژوهش

در مطالعه از روش های زیر استفاده شد:

1. نظری:

تجزیه و تحلیل منابع اطلاعاتی در مورد تاریخچه کشف اثرات پلتیر و سیبک در نظر گرفته شده در کار،

تجزیه و تحلیل اطلاعات در مورد اصل عملکرد عناصر Peltier و Seebeck،

تجزیه و تحلیل داده های تجربی به دست آمده.

استقرای ناقص: تدوین یک نتیجه‌گیری بر اساس داده‌هایی که همه جنبه‌ها و ترکیب‌های احتمالی ویژگی‌های اشیاء مورد مطالعه را پوشش نمی‌دهد.

2. تجربی:

انجام یک سری آزمایش برای آزمون فرضیه.

این مطالعه کاربردی است. نتایج مطالعه پاسخی در مورد اثربخشی امکان تعویض عناصر Peltier و Seebeck خواهد داد.

تجزیه و تحلیل منبع

هنگام توصیف اثرات مورد مطالعه، همه منابع ذکر می کنند که "اثر پلتیه و اثر معکوس آن، به اصطلاح اثر Seebeck" وجود دارد، در حالی که اثر معکوس Seebeck ذکر نشده است. در ادامه این کار، علاوه بر کشف اثرات پلته مستقیم و معکوس و مقایسه اثر معکوس پلتیه با اثر مستقیم Seebeck، وجود اثر معکوس Seebeck را بررسی خواهیم کرد.

اهمیت موضوع مورد مطالعه با توجه به مطالعه این تأثیرات توسط کتب درسی خارجی نشان می دهد. آنها نه تنها شرحی از اثرات مورد بررسی، بلکه توضیح آنها و همچنین در مورد کاربرد آنها را ارائه می دهند.

وب سایت سازنده روسی تجهیزات آموزشی LLC 3B Scientific نصب آزمایشگاهی Seebeck Effect را به ارزش 229873.00 روبل ارائه می دهد. ، که با توسعه روش شناختی همراه است. پس از مطالعه آن به این نتیجه رسیدیم که چنین آزمایشی را می توان روی تجهیزاتی انجام داد که نیاز به هزینه های آنچنانی ندارند.

قسمت اصلی اثر پلته

اثر پلتیه یک پدیده ترموالکتریک انتقال انرژی در حین عبور جریان الکتریکی در نقطه تماس (اتصال) دو هادی غیرمشابه از یک هادی به هادی دیگر است. همچنین اثر معکوس اثر Seebeck است، اما می تواند عملکردهای خود را نیز انجام دهد.

هنگامی که یک طرف گرم و طرف دیگر خنک می شود، این عنصر می تواند برق تولید کند. و همچنین این عنصر اثر معکوس دارد یعنی وقتی این المنت به برق وصل می شود یک طرف سرد و طرف دیگر گرم می شود.

علت وقوع پدیده پلتیه به شرح زیر است. در تماس دو ماده اختلاف پتانسیل تماس وجود دارد که یک میدان تماس داخلی ایجاد می کند. اگر جریان الکتریکی از کنتاکت عبور کند، این میدان یا عبور جریان را تسهیل می کند یا مانع آن می شود. اگر جریان بر خلاف میدان تماس باشد، منبع خارجی باید انرژی اضافی را که در تماس آزاد می شود مصرف کند که منجر به گرم شدن آن می شود. اگر جریان در جهت میدان تماس برود، می توان آن را توسط این میدان پشتیبانی کرد که کار جابجایی بارها را انجام می دهد. انرژی مورد نیاز برای این کار از ماده گرفته می شود که منجر به خنک شدن آن در نقطه تماس می شود.

اثر Seebeck

اگر یک گرادیان دما در امتداد رسانا وجود داشته باشد، الکترون‌ها در انتهای داغ انرژی و سرعت بیشتری نسبت به انتهای سرد کسب می‌کنند. علاوه بر این، در نیمه هادی ها، غلظت الکترون های رسانا با دما افزایش می یابد. نتیجه جریان الکترون ها از انتهای گرم به انتهای سرد است. یک بار منفی در انتهای سرد جمع می شود، در حالی که یک بار مثبت جبران نشده در انتهای گرم باقی می ماند. روند انباشت بار ادامه می یابد تا زمانی که اختلاف پتانسیل حاصله باعث ایجاد جریانی از الکترون ها در خلاف جهت برابر با جریان اولیه شود که به دلیل آن تعادل برقرار می شود.

EMF که وقوع آن با این مکانیسم توصیف شده است، EMF حجمی نامیده می شود.

ویژگی های عناصر Peltier و Seebeck

ویژگی اصلی این عناصر این است که عنصر Peltier اثر معکوس دارد، اما عنصر Seebeck اینطور نیست. و این در حالی است که اثر معکوس عنصر Peltier اثر عنصر Seebeck است.

در نتیجه، اثر Seebeck به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است.

عنصر Peltier دقیقا برعکس دستگاه های مبتنی بر اثر Seebeck است. در این حالت، برعکس، تحت تأثیر جریان الکتریکی، اختلاف دما در سکوهای کاری سازه ایجاد می شود. بنابراین با کمک جریان الکتریکی، گرما از یک ترموکوپل به ترموکوپل دیگر منتقل می شود. هنگامی که جهت جریان تغییر می کند، سمت گرم شده حالت مخالف را به خود می گیرد.

این اثر در دو هادی غیرمشابه با رسانایی یکسان رخ می دهد. در هر یک از آنها، الکترون ها ارزش انرژی متفاوتی دارند و در فاصله بسیار نزدیکی از یکدیگر قرار دارند. در نتیجه، بارها از یک محیط به رسانه دیگر منتقل می‌شوند و الکترون‌هایی که انرژی بالاتری در پس‌زمینه سطوح پایین دارند، مازاد بر شبکه کریستالی را رها می‌کنند و باعث گرم شدن می‌شوند. با کمبود انرژی، برعکس، از شبکه کریستالی منتقل می شود و منجر به خنک شدن محل اتصال می شود.

کاربرد اثر پلتیه و اثر سیبک

اثرات مورد مطالعه برای ایجاد حسگرهای حرارتی، ژنراتورهای ترموالکتریک و همچنین در رایانه ها برای بهبود خنک کننده پردازنده استفاده می شود.

در حال حاضر از اثر Seebeck در حسگرهای یکپارچه استفاده می شود که در آن جفت مواد مناسب روی سطح زیرلایه های نیمه هادی قرار می گیرند. نمونه ای از این سنسورها ترموکوپل برای تشخیص تابش حرارتی است. از آنجایی که سیلیکون دارای ضریب Seebeck به اندازه کافی بزرگ است، آشکارسازهای ترموالکتریک بسیار حساس بر اساس آن ساخته می شوند.

یکی از محدودیت های قابل توجهی که هنگام استفاده از مبدل ترموالکتریک ایجاد می شود ضریب راندمان پایین - 3-8٪ است. اما اگر امکان هدایت خطوط برق استاندارد وجود نداشته باشد و بار روی شبکه کم فرض شود، استفاده از ژنراتورهای ترموالکتریک کاملاً موجه است. در واقع، دستگاه های مبتنی بر اثر Seebeck را می توان در زمینه های مختلفی استفاده کرد:

1. منبع تغذیه فناوری فضایی;

2. تامین تجهیزات گاز و نفت.

3. ژنراتورهای خانگی;

4. سیستم های ناوبری دریایی;

5. سیستم های گرمایشی;

6. بهره برداری از حرارت وسایل نقلیه زباله;

7. مبدل های انرژی خورشیدی.

8. مبدل گرمای تولید شده توسط منابع طبیعی (مثلاً آبهای زمین گرمایی).

اثر پلتیه در دو موقعیت استفاده می شود: زمانی که لازم است یا گرما را به محل اتصال مواد تامین کنیم یا آن را حذف کنیم که با تغییر جهت جریان انجام می شود. این خاصیت در دستگاه هایی که کنترل دقیق دما مورد نیاز است کاربرد خود را پیدا کرده است. از عناصر پلتیر در شرایطی استفاده می‌شود که نیاز به خنک‌سازی با اختلاف دمای کم است یا بازده انرژی کولر مهم نیست. به عنوان مثال، از عناصر پلتیر در یخچال های کوچک خودرو استفاده می شود، زیرا استفاده از کمپرسور در این حالت به دلیل ابعاد محدود غیرممکن است و علاوه بر این، ظرفیت خنک کننده مورد نیاز نیز کم است.

علاوه بر این، از عناصر Peltier برای خنک کردن دستگاه های متصل به شارژ در دوربین های دیجیتال استفاده می شود. به همین دلیل، کاهش قابل توجهی در نویز حرارتی در طول نوردهی طولانی (به عنوان مثال، در عکاسی نجومی) به دست می آید. عناصر پلتیر چند مرحله ای برای خنک کردن گیرنده های تشعشع در حسگرهای مادون قرمز استفاده می شوند.

عناصر Peltier نیز اغلب استفاده می شود:

1. برای خنک کردن و کنترل دما لیزرهای دیود برای تثبیت طول موج تابش.

2. در فن آوری کامپیوتر;

3. در دستگاه های رادیو الکتریک;

4. در تجهیزات پزشکی و دارویی;

5. در لوازم خانگی;

6. در تجهیزات آب و هوایی;

7. در ترموستات;

8. در تجهیزات نوری;

9. برای کنترل فرآیند تبلور.

10. به عنوان گرمایش برای مقاصد گرمایشی.

11. برای نوشیدنی های خنک کننده;

12. در ابزار آزمایشگاهی و علمی;

13. در ماشین های یخ;

14. در دستگاه های تهویه مطبوع;

15. برای تولید برق;

16. در کنتورهای آب الکترونیکی.

البته دستگاه های خنک کننده Peltier به سختی برای استفاده انبوه مناسب هستند. آنها بسیار گران هستند و نیاز به عملکرد مناسب دارند. امروزه بیشتر ابزاری برای طرفداران پردازنده های اورکلاک است. با این حال، اگر خنک کننده قوی پردازنده مورد نیاز باشد، خنک کننده های Peltier کارآمدترین دستگاه ها هستند.

گزارش‌هایی از آزمایش‌هایی در مورد تعبیه ماژول‌های مینیاتوری Peltier به طور مستقیم در تراشه‌های پردازنده برای خنک کردن حیاتی‌ترین ساختارهای آنها وجود دارد. این راه حل با کاهش مقاومت حرارتی به خنک سازی بهتر کمک می کند و می تواند فرکانس کاری و عملکرد پردازنده ها را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

شرح تنظیمات آزمایشی

برای آزمایش، تنظیمی ایجاد شد که به شما امکان می دهد داده های لازم را بدست آورید.

برای کاهش تبادل حرارت با محیط، ایجاد ترموستات ضروری است. در چیدمان آزمایشی این امر با کمک مواد عایق حرارتی مورد استفاده در ساخت و ساز به دست آمد که در آن دو حمام ایجاد شد که در یک مورد توسط عناصر Peltier و در مورد دیگر توسط یک عنصر Seebeck از هم جدا شدند. از جعبه های آب میوه ضد رطوبت به عنوان حمام استفاده می شد. ضد آب بودن عناصر با یک تفنگ چسب به دست می آید.

برای آزمایش، عناصر Peltier و Seebeck با ویژگی های مشابه انتخاب شدند: ولتاژ و توان عملیاتی.

مولتی متر به عنوان ابزار اندازه گیری برای تثبیت دما استفاده شد.

مقدار ولتاژ نیز با مولتی متر یا ولت متر گرفته شد.

روش آزمایش

بسته به عنصر مورد مطالعه، یا آب با دماهای مختلف (اثر مستقیم سیبک و اثر پلتیه معکوس) یا آب با دمای یکسان به بخش های مختلف حمام ریخته شد تا اثر مستقیم پلتیه و اثر معکوس سیبک را تشخیص دهد.

قرائت سنسورهای دما در جدول (پیوست 1) ثبت شد که بر اساس آن نمودارهایی از وابستگی ولتاژ به دما ساخته شد.

هر آزمایش به مدت 7 تا 10 دقیقه انجام شد.

نتایج آزمایش

بر اساس داده های به دست آمده در طی چهار آزمایش، نمودارهایی ساخته شد

در طول آزمایش، اثر مستقیم Seebeck و اثر معکوس Peltier عناصر مربوطه مشاهده می شود که مقادیر ولتاژ روی آنها تقریباً یکسان است. همانطور که از نمودار مشاهده می شود، وابستگی ولتاژ به عنصر به اختلاف دمای سطح مشابه است. تفاوت در مقادیر با تفاوت در ویژگی های اشیاء توضیح داده می شود.

مقایسه اثر مستقیم پلتیه و اثر معکوس Seebeck

اثر معکوس Seebeck

همانطور که از نمودار مشاهده می شود، با در نظر گرفتن خطاهای مرتبط با ویژگی های طراحی دستگاه (که در دستورالعمل ها مشخص شده است)، می توان فرض کرد که دما در طول آزمایش تغییر نکرده است، که نشان می دهد اثر Seebeck معکوس نبوده است. ثبت شده است.

این را می توان با نمودار با اضافه کردن یک خط روند قضاوت کرد.

اثر مستقیم پلتیه

آزمایش وجود اثر مستقیم پلتیه را تأیید کرد: دما در یک قسمت حمام افزایش و در قسمت دیگر کاهش یافت.

نتیجه مشابهی از تجزیه و تحلیل تغییرات اختلاف دما بین دو طرف عنصر پلتیه به دست می آید.

نتیجه:

عنصر Peltier دارای اثرات رو به جلو و معکوس است. عنصر Seebeck فقط در جهت جلو قابل استفاده است.

نتیجه

هنگام کار بر روی یک مطالعه بر اساس منابع موجود، تاریخچه و ویژگی های اثر مستقیم و معکوس پلتیه، اثر مستقیم و معکوس Seebeck مورد مطالعه قرار گرفت.

ایجاد یک نصب کارآمد امکان انجام کیفی آزمایشات برنامه ریزی شده برای تأیید فرضیه ارائه شده را فراهم کرد.

این مطالعه ویژگی‌های متمایز اثر پلتیه و اثر Seebeck را هنگامی که در جهت‌های رو به جلو و معکوس استفاده می‌شود، نشان داد.

فرض در مورد عدم وجود اثر معکوس Seebeck به طور کامل تایید شد. بر اساس این بیانیه، باید به خاطر داشت که عناصری مانند عناصر پلتیر و سیبک برای هدف مورد نظر خود کارآمدتر هستند، اگرچه امکان استفاده از اثر مستقیم Seebeck و اثر پلتیه معکوس وجود دارد. اگر شباهت های سازنده وجود داشته باشد، با این وجود، برای انطباق با فناوری، باید با یک اثر خاص کار کرد.

پس از مطالعه دقیق اثر پلتیه، می‌توان نتیجه گرفت که علیرغم اینکه استفاده از اثر پلتیه مستلزم اقدامات و تحقیقات بیشتری برای مطالعه استفاده ایمن و منطقی از ماژول‌های پلتیه به عنوان وسایل خنک‌کننده است، این پدیده بسیار امیدوارکننده است.

فهرست ادبیات استفاده شده

1. Landau L.D., Lifshits E.M. فیزیک نظری: Proc. کمک هزینه: برای دانشگاه ها. در 10. t. T. VIII. الکترودینامیک رسانه پیوسته - چاپ چهارم، stereot.-m.: Fizmatlit، 2000. - 656 p.

2. نارکویچ I.I. فیزیک: کتاب درسی / I.I. نارکویچ، E.I. ووملیانسکی، S.I. لوبکو. - مینسک: دانش جدید، 2004. - 680 ص.

3. Rowell G., Herbert S. Physics / Per. از انگلیسی. ویرایش V.G. رازوموفسکی. - م.: روشنگری، 1373. - 576 ص: بیمار.

4. Sivukhin S.D. دوره عمومی فیزیک.- M.: Nauka، 1977.- V.3. برق.- S.490-494.

5. فیزیک: دایره المعارف./ زیر. اد. Yu.V. پروخوروف - م.: دایره المعارف بزرگ روسی، 2003. - 944 ص: بیمار، 2 ص. سرهنگ

6. دایره المعارف فیزیکی، ج 5. دستگاههای استروبوسکوپی - روشنایی / چ. ویرایش صبح. پروخوروف اد. سرهنگ: D.M. بالدین، دایره المعارف بزرگ روسیه، 1998. - 760 ص.

7. ولادیمیر لنک، میروسلاو وندرا. کوکتل Fizika v. - Ceska republika: FRAGMENT، 2000. - 120 p. کتاب درسی دبیرستان، جمهوری اسلواکی.

8. Tsokos K.A. فیزیک برای دیپلم IB. چاپ پنجم. - انگلستان: انتشارات دانشگاه کمبریج، 2004. - 850 ص. کتاب درسی برای برنامه کارشناسی بین المللی

9. وب سایت 3bscientific. [منبع الکترونیکی]// https://www.3bscientific.ru/laboratory-installation-seebeck-effect-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (دسترسی در 18 فوریه 2018)

پیوست 1. نتایج آزمایشات

آزمایش 1. اثر مستقیم Seebeck

زمان t، s	اختلاف دما Δ t, o C	ولتاژ U، V

آزمایش 2. اثر پلتیه معکوس

زمان t، s	دمای آب سرد t x, o С	دمای آب گرم tg, o C	اختلاف دما Δ t, o C	ولتاژ U، V

آزمایش 3. اثر معکوس Seebeck

زمان t، s	دمای آب سرد t x, o С	دمای آب گرم tg, o C	اختلاف دما Δ t, o C	ولتاژ

آزمایش 4. اثر مستقیم پلتیه

زمان t، s	دمای آب سرد t x, o С	دمای آب گرم tg, o C	اختلاف دما Δ t, o C	ولتاژ U، V

پیوست 2. عکس نصب

تعریف 1

مقاله ای در مورد ناهنجاری های دمایی که در مرزهای دو هادی مختلف مشاهده می شود در هنگام عبور جریان الکتریکی از آنها منتشر شد. پلتیردر سال 1834. خود پلتیه ماهیت این پدیده را درک نکرد، لنز در سال 1838 آن را توضیح داد. لنز آزمایش زیر را انجام داد. در شکاف محل اتصال میله های بیسموت و آنتیموان، یک قطره آب گذاشت. اگر جریان به یک جهت رد می شد، آب یخ می زد و اگر جریان در جهت مخالف می رفت، یخ حاصل آب می شد. بنابراین مشخص شد که هنگام عبور از تماس دو رسانای جریان الکتریکی، علاوه بر گرمای ژول، گرمای اضافی آزاد یا جذب می شود (بسته به جهت جریان). این گرما را گرمای پلتیه می نامند. فرآیند آزادسازی (جذب) گرمای اضافی در تماس دو هادی نامیده می شود "پدیده پلتیر". گرمای پلتیه با توان اول جریان متناسب است و با تغییر جهت جریان، علامت تغییر می کند. به طور تجربی به دست آمده است که گرمای پلتیه ($Q_P$) را می توان با استفاده از فرمول بیان کرد:

که در آن $q$ شارژ است، $P$ ضریب Peltier است که به مواد در تماس و دمای آنها بستگی دارد. $Q_P>0$ اگر تخصیص داده شود.

تبیین اثر پلتیه در نظریه کلاسیک

تئوری الکترونیکی کلاسیک رسانش پدیده پلتیه را اینگونه تفسیر می کند: الکترون هایی که توسط جریان از فلزی به فلز دیگر منتقل می شوند تحت تأثیر اختلاف پتانسیل تماس داخلی بین فلزات شتاب یا کند می شوند. در یک مورد، انرژی جنبشی الکترون ها افزایش می یابد و سپس به صورت گرما آزاد می شود. در حالتی دیگر، انرژی جنبشی کاهش می یابد و این کاهش با ارتعاشات حرارتی اتم ها دوباره پر می شود و در نتیجه سرد می شود.

می توان انتظار داشت که ضریب اثر پلتیه برابر با اختلاف پتانسیل تماس باشد، اما اینطور نیست. مطابق با نظریه کلاسیک، میانگین انرژی جنبشی حرکت حرارتی الکترون ها در تماس با فلزات یکسان در نظر گرفته می شود، اما اینطور نیست. نکته این است که موقعیت سطوح فرمی در فلزات مختلف متفاوت است. تئوری کلاسیک تنها تفاوت انرژی‌های پتانسیل در طرف‌های مختلف سطح مشترک فلز را در نظر می‌گیرد، در حالی که انرژی جنبشی الکترون‌ها را یکسان می‌داند. با این حال، باید تغییر در انرژی کل یک الکترون را در طول انتقال آن از یک فلز به فلز دیگر در نظر گرفت.

برای بیشتر جفت هادی ها، ضریب پلتیه مقداری برابر با $(10)^(-2)-\ (10)^(-3)V$ (ولت) دارد.

اثر پلتیه برای نیمه هادی ها

اثر پلتیه، مانند سایر پدیده های ترمیونی، به ویژه در مدارهای نیمه هادی های الکترونیکی و حفره ای برجسته است.

فرض می کنیم که یک تماس بین یک نیمه هادی سوراخ و یک الکترونیکی وجود دارد و جریان از هادی سوراخ به هادی الکترونیکی جریان می یابد. در این حالت، حفره های یک نیمه هادی حفره و الکترون های یک نیمه هادی الکترونیکی به سمت یکدیگر حرکت می کنند. الکترون ها با عبور از رابط از مناطق آزاد نیمه هادی الکترونیکی، به منطقه پر شده نیمه هادی سوراخ می افتند و با سوراخ آنجا از بین می روند. در نتیجه این نوترکیب، انرژی آزاد می شود که به صورت گرما در تماس نیمه هادی ها آزاد می شود.

حالتی را در نظر بگیرید که جریان از یک نیمه هادی الکترونیکی به یک حفره جریان می یابد. در این حالت، الکترون‌ها در یک نیمه‌رسانای الکترونیکی و حفره‌های یک نیمه‌رسانای حفره‌ای در جهت مخالف حرکت می‌کنند. حفره هایی که از رابط نیمه هادی حرکت می کنند در نتیجه تشکیل جفت های جدید در طول انتقال الکترون ها از ناحیه پر شده نیمه هادی سوراخ به منطقه آزاد دوباره پر می شوند. تشکیل چنین جفت هایی نیاز به انرژی دارد که از ارتعاشات حرارتی اتم های شبکه تامین می شود. تحت تأثیر میدان الکتریکی، الکترون ها و حفره های در حال ظهور در جهت مخالف حرکت می کنند. ایجاد مداوم جفت‌های جدید تا زمانی ادامه می‌یابد که جریان از کنتاکت عبور می‌کند. در نتیجه این فرآیند گرما جذب می شود.

یادداشت 1

پدیده پلتیر در نیمه هادی ها در دستگاه های خنک کننده استفاده می شود.

گرمای ژول-لنز و گرمای پلتیه

لازم به ذکر است که بین پدیده پلتیه و انتشار گرما ژول -- لنزتفاوت های قابل توجهی وجود دارد مقدار گرمایی که مطابق با قانون ژول لنز ($Q\sim I^2$) آزاد می شود به جهت جریان بستگی ندارد. گرمایی که در نتیجه اثر پلتیه آزاد می شود (یا جذب می شود) با توان اول جریان ($Q_P\sim I$) متناسب است و با تغییر جهت جریان، علامت تغییر می کند. علاوه بر این، گرمای ژول-لنز به مقاومت هادی بستگی دارد، گرمای پلتیه به آن بستگی ندارد.

معمولاً گرمای پلتیر به میزان قابل توجهی کمتر از گرمای ژول-لنز است. برای آشکار شدن اثر پدیده پلتیه، لازم است حرارت ژول-لنز را تا حد امکان با استفاده از هادی های ضخیم با حداقل مقاومت کاهش داد.

مثال 1

تعداد الکترون هایی (N) که از واحد سطح عمود بر جهت جریان در 1$ s$ عبور می کند:

که $j$ چگالی جریان است، $q_e\ $ بار الکترون است.

انرژی یک الکترون برابر است با مجموع انرژی جنبشی ($E_k$) و انرژی پتانسیل ($E_p=-q_e\varphi $). اگر $\left\langle E_k\right\rangle $ نشان دهنده میانگین انرژی برای N الکترون باشد، آنگاه شار انرژی ($P$) برابر است با:

که در آن $\left\langle E_k\right\rangle \ne \frac(3)(2)$ kT-- برابر با میانگین انرژی جنبشی یک گاز الکترون تعادلی نیست، که با این واقعیت توضیح داده می شود که در مورد یک گاز منحط، همه الکترون ها را نمی توان با یک میدان الکتریکی شتاب داد.

هادی های 1 و 2 را در یک دما در نظر بگیرید. انرژی $P_1$ به هر واحد سطح تماس در هادی 1 در واحد زمان عرضه می‌شود و انرژی معادل P_2$ در هادی 2 حذف می‌شود. مقادیر بالقوه در هر دو طرف صفحه تماس برابر با $(\varphi)_1$ و $(\varphi)_2$ است. و $(\varphi )_1$ $\ne $ $(\varphi )_2$. علاوه بر این، در حالت کلی داریم که:

\[\left\langle E_(k1)\right\rangle \ne \ne \left\langle E_(k2)\right\rangle \left(1.3\right).\]

برای حفظ دمای تماس بدون تغییر از هر واحد سطح در واحد زمان، لازم است انرژی برابر با $P_1-P_2 حذف (یا تامین شود).\ $از عبارت (1.3) چنین است که:

این بدان معنی است که گرمای Peltier ($Q_p$) آزاد می شود (یا جذب می شود). در صورتی که $S$ مساحت سطوح در تماس باشد، گرمای پلتیه برابر است با:

\این\چپ(1.5\راست)،\]

که در آن $I=jS$ قدرت فعلی است. می دانیم که گرمای پلتیه به صورت زیر بیان می شود:

یا برای مورد ما، از عبارت (1.7) می توانیم بنویسیم:

اجازه دهید عبارت (1.7) و فرمول (1.5) را با هم مقایسه کنیم، عبارت ضریب Peltier را به دست می آوریم:

\[П_(12)=\frac(1)(q_e)\left[\left(\left\langle E_(k2)\right\rangle -\left\langle E_(k1)\right\rangle \right)- q_e\left((\varphi)_1-\ (\varphi)_2\right)\right]\left(1.8\right).\]

از آنجایی که ما به گرمای تماس علاقه مند هستیم و گرمای ژول-لنز را در حجم در نظر نمی گیریم، در فرمول (1.5) باید مقادیر آنها را در نزدیکی صفحه تماس با $P_1\ و\P_2$ درک کرد. خود بنابراین عبارت $(\varphi )_1-\ (\varphi )_2=U_(i12)$ پرش پتانسیل تماس است.

اگر گاز الکترونی موجود در رساناها دژنره نشده باشد، تمام الکترون ها توسط میدان شتاب می گیرند. توزیع تکانه توسط قانون ماکسول توصیف می شود و فقط به دما بستگی دارد، سپس $\left\langle E_(k2)\right\rangle =\left\langle E_(k1)\right\rangle $، بنابراین:

\[P_(12)=u_1-\ u_2=U_(i12).\ \]

در این حالت، ضریب پلتیه برابر با پرش پتانسیل تماس است، در حالی که گرمای پلتیه برابر با کار انجام شده توسط جریان ناشی از افت ولتاژ است.

چیزی که باید نشان داده شود.

مثال 2

وظیفه: ضریب پلتیه در دمای T=0 K (مورد گاز الکترونی به شدت تخریب شده) چقدر است؟

در حالت انحطاط قوی (T=0 K)، تمام حالات کوانتومی در نوار رسانایی با انرژی کمتر از سطح فرمی کاملاً توسط الکترون ها اشغال می شود. در این حالت فقط الکترون هایی که انرژی برابر با انرژی فرمی دارند می توانند توسط میدان شتاب بگیرند (در تقریب اول انرژی فرمی برابر با پتانسیل شیمیایی $\mu $ در نظر گرفته می شود). بنابراین، در فرمول ضریب پلتیه که در مثال قبل به دست آوردیم:

\[П_(12)=\frac(1)(q_e)\left[\left(\left\langle E_(k2)\right\rangle -\left\langle E_(k1)\right\rangle \right)- q_e\left((\varphi)_1-\ (\varphi)_2\right)\right]\left(2.1\right)\]

در زیر $\left\langle E_(k2)\right\rangle \ and\ \left\langle E_(k1)\right\rangle $ باید حداکثر انرژی جنبشی الکترون ها را درک کرد و پذیرفت که:

\[\left\langle E_(k2)\right\rangle =(\mu )_2,\ \left\langle E_(k1)\right\rangle (=\mu )_1\left(2.2\right).\]

از سوی دیگر می دانیم که:

عبارات (2.3) و (2.2) را جایگزین می کنیم.

در فرمول (2.1)، به دست می آوریم:

\[P_(12)=\frac(1)(q_e)\left[\left(m_2-m_1\right)-\left(m_1-m_2\right)\right]=0.\]

پاسخ: برای $T$=0 $K$، $P_(12)=0\ B.$

اوایل قرن 19. عصر طلایی فیزیک و مهندسی برق. در سال 1834، ساعت ساز و طبیعت شناس فرانسوی ژان چارلز پلتیه قطره ای آب را بین الکترودهای بیسموت و آنتیموان قرار داد و سپس جریان الکتریکی را از مدار عبور داد. در کمال تعجب دید که قطره ناگهان منجمد شده است.

اثر حرارتی جریان الکتریکی بر رساناها شناخته شده بود، اما اثر معکوس آن شبیه جادو بود. می توان احساسات پلتیه را درک کرد: این پدیده در محل اتصال دو حوزه مختلف فیزیک - ترمودینامیک و الکتریسیته حتی امروز نیز احساس یک معجزه را برمی انگیزد.

مشکل سرمایش در آن زمان به حاد امروز نبود. بنابراین، اثر پلتیه تنها تقریباً دو قرن بعد مورد توجه قرار گرفت، زمانی که دستگاه‌های الکترونیکی ظاهر شدند که برای کار کردن به سیستم‌های خنک‌کننده مینیاتوری نیاز داشتند. کرامت عناصر خنک کننده پلتیرابعاد کوچک، عدم وجود قطعات متحرک، امکان اتصال آبشاری برای به دست آوردن اختلاف دما زیاد است.

علاوه بر این، اثر Peltier برگشت پذیر است: هنگامی که قطبیت جریان از طریق ماژول معکوس می شود، سرمایش با گرمایش جایگزین می شود، بنابراین اجرای دقیق سیستم های کنترل دما - ترموستات ها آسان است. نقطه ضعف عناصر Peltier (ماژول ها) راندمان پایین است که برای به دست آوردن اختلاف دمای قابل توجه نیاز به تامین مقادیر جریان زیادی دارد. حذف گرما از صفحه مقابل صفحه سرد شده نیز دشوار است.

اما اول از همه. برای شروع، بیایید سعی کنیم فرآیندهای فیزیکی مسئول پدیده مشاهده شده را در نظر بگیریم. بدون فرو رفتن در ورطه محاسبات ریاضی، ما به سادگی سعی خواهیم کرد ماهیت این پدیده فیزیکی جالب را در "انگشت" درک کنیم.

از آنجایی که ما در مورد پدیده های دما صحبت می کنیم، فیزیکدانان، برای راحتی توصیف ریاضی، ارتعاشات شبکه اتمی ماده را با گاز خاصی که به عنوان مثال از ذرات - فونون تشکیل شده است، جایگزین می کنند.

دمای گاز فونون به دمای محیط و خواص فلز بستگی دارد. سپس هر فلزی مخلوطی از گازهای الکترون و فونون است که در تعادل ترمودینامیکی هستند.وقتی دو فلز مختلف در غیاب میدان خارجی با هم تماس پیدا می‌کنند، یک گاز الکترونی «گرم‌تر» به منطقه «سردتر» نفوذ می‌کند و یک تماس شناخته شده ایجاد می‌کند. اختلاف پتانسیل.

هنگام اعمال یک تفاوت پتانسیل برای انتقال، به عنوان مثال. هنگامی که جریان از سطح مشترک بین دو فلز عبور می کند، الکترون ها انرژی را از فونون های یک فلز می گیرند و آن را به گاز فونون دیگری منتقل می کنند. وقتی قطبیت معکوس می شود، انتقال انرژی و در نتیجه گرمایش و سرمایش علامت تغییر می کند.

در نیمه هادی ها، الکترون ها و "حفره ها" مسئول انتقال انرژی هستند، اما مکانیسم انتقال حرارت و ظاهر اختلاف دما حفظ می شود. اختلاف دما تا زمانی که الکترون های پرانرژی تخلیه شوند افزایش می یابد. یک تعادل دما وجود دارد. این تصویر مدرن توصیف است اثر پلتیه.

از آن معلوم است که کارایی عنصر پلتیهبه انتخاب یک جفت مواد، قدرت فعلی و سرعت حذف گرما از منطقه داغ بستگی دارد. برای مواد مدرن (به عنوان یک قاعده، اینها نیمه هادی ها هستند)، راندمان 5-8٪ است.

و اکنون در مورد کاربرد عملی اثر پلتیه.برای افزایش آن، ترموکوپل های منفرد (اتصال دو ماده مختلف) در گروه هایی متشکل از ده ها و صدها عنصر مونتاژ می شوند. هدف اصلی چنین ماژول هایی خنک کردن اجسام کوچک یا ریز مدارها است.

ماژول خنک کننده ترموالکتریک

ماژول های اثر Peltier به طور گسترده در دستگاه های دید در شب با ماتریسی از گیرنده های مادون قرمز استفاده می شود. ریزمدارهای جفت شده با شارژ (CCD) که امروزه در دوربین های دیجیتال نیز استفاده می شوند، برای ثبت تصاویر در ناحیه مادون قرمز به خنک کننده عمیق نیاز دارند. ماژول های Peltier آشکارسازهای مادون قرمز را در تلسکوپ ها، عناصر فعال لیزرها برای تثبیت فرکانس تابش، در سیستم های زمان دقیق خنک می کنند. اما اینها همه کاربردهای نظامی و خاص هستند.

اخیراً ماژول های Peltier در محصولات خانگی کاربرد پیدا کرده اند. عمدتاً در فناوری خودرو: تهویه مطبوع، یخچال های قابل حمل، کولرهای آبی.

نمونه ای از استفاده عملی از اثر پلتیه

جالب ترین و امیدوارکننده ترین کاربرد ماژول ها، فناوری کامپیوتر است. پردازنده های ریزپردازنده با کارایی بالا و تراشه های کارت گرافیک گرمای زیادی تولید می کنند. برای خنک سازی آنها از فن های پرسرعت استفاده شده است که نویز صوتی قابل توجهی ایجاد می کند. استفاده از ماژول های Peltier به عنوان بخشی از سیستم های خنک کننده ترکیبی، نویز را با استخراج گرمای قابل توجه حذف می کند.

USB فشرده یخچال با استفاده از ماژول های Peltier

و در نهایت، یک سوال منطقی: آیا ماژول های Peltier جایگزین سیستم های خنک کننده معمول در یخچال های خانگی فشرده می شوند؟ امروزه از نظر کارایی (بازده پایین) و قیمت بی سود است. هزینه ماژول های قدرتمند هنوز بسیار بالا است.

اما فناوری و علم مواد ثابت نمی ماند. غیرممکن است که احتمال ظهور مواد جدید و ارزان‌تر با راندمان بالا و ضرایب پلتیر بالا را رد کنیم. در حال حاضر گزارش‌هایی از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در مورد خواص شگفت‌انگیز مواد نانو کربنی وجود دارد که می‌تواند وضعیت را با سیستم‌های خنک‌کننده کارآمد تغییر دهد.

گزارش‌هایی مبنی بر بازده حرارتی بالای کلاسترها - محلول‌های جامد مشابه ساختار هیدرات‌ها، گزارش شده است. وقتی این مواد از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی خارج می‌شوند، یخچال‌های کاملاً بی‌صدا با طول عمر نامحدود جایگزین مدل‌های خانه آشنای ما می‌شوند.

P.S.یکی از جالب ترین ویژگی ها تکنولوژی ترموالکتریکاین است که نه تنها می تواند استفاده کند انرژی الکتریکیبرای دریافت گرما و سرما، اما همچنین به لطف آن می توانید اما فرآیند معکوس را شروع کنید و به عنوان مثال، انرژی الکتریکی را از گرما دریافت کنید.

نمونه ای از اینکه چگونه می توانیددریافت برق از گرما با استفاده از یک ماژول ترموالکتریک () به این نگاه کنویدئو:

چه فکری در این باره دارید؟ به امید دریافت دیدگاههای شما!

آندری پوونی