Lodówka z efektem Peltiera. Co to jest element Peltiera, jego urządzenie, zasada działania i praktyczne zastosowanie. Czynniki wpływające na efektywność TEM

04.08.2020

Przeczytaj także

Niezwykłe prezenty noworoczne, które możesz zrobić własnymi rękami

Przegląd recenzji na temat psychicznego rytuału Arina Evdokimova dla spełnienia pragnienia

Marilyn Kerro - biografia i życie osobiste estońskiej wiedźmy

Co to znaczy widzieć karaluchy we śnie - interpretacja dla kobiet

Otwarte w 1834 r. przez J. Peltiera, który odkrył, że gdy prąd przepływa przez złącze dwóch różnych przewodników, zmienia się temperatura złącza. W 1838 r. E. Kh. Lenz wykazał, że przy wystarczająco dużej sile prądu można albo zamrozić, albo doprowadzić do wrzenia kroplę wody osadzoną na złączu, zmieniając kierunek prądu.

Istotą efektu Peltiera jest to, że gdy prąd elektryczny przepływa przez kontakt dwóch metali lub półprzewodników w obszarze ich kontaktu, oprócz zwykłego ciepła Joule’a, dodatkowa ilość ciepła jest uwalniana lub pochłaniana, nazywany ciepłem Peltiera Q p. W przeciwieństwie do ciepła Joule'a, które jest proporcjonalne do kwadratu prądu, wartość Q p proporcjonalna do pierwszej mocy prądu.

Q p \u003d P. I. t.

t- aktualny czas przepływu,

I- aktualna siła.

P- Współczynnik Peltiera, współczynnik proporcjonalności, zależny od rodzaju materiałów tworzących kontakt. Koncepcje teoretyczne umożliwiają wyrażenie współczynnika Peltiera w kategoriach mikroskopowych charakterystyk elektronów przewodzących.

Współczynnik Peltiera P = T D a, gdzie T to temperatura bezwzględna, a Δ α - różnica współczynników termoelektrycznych przewodników. Kierunek prądu określa, czy ciepło Peltiera jest uwalniane, czy pochłaniane.

Powodem tego efektu jest to, że w przypadku kontaktu między metalami lub półprzewodnikami, na granicy faz powstaje wewnętrzna różnica potencjałów kontaktu. Prowadzi to do tego, że energia potencjalna nośników po obu stronach styku staje się różna, ponieważ średnia energia nośników prądu zależy od ich widma energetycznego, koncentracji i mechanizmów rozpraszania i jest różna w różnych przewodnikach. Ponieważ średnia energia elektronów biorących udział w przenoszeniu prądu różni się w różnych przewodnikach, w procesie zderzeń z jonami sieciowymi nośniki oddają nadmiar energii kinetycznej do sieci i uwalniane jest ciepło. Jeżeli podczas przejścia przez kontakt energia potencjalna nośników maleje, to ich energia kinetyczna wzrasta i elektrony, zderzając się z jonami sieci, zwiększają swoją energię do wartości średniej, podczas gdy ciepło Peltiera jest pochłaniane. Tak więc, gdy elektrony przechodzą przez kontakt, elektrony przenoszą nadmiar energii na atomy lub uzupełniają ją na własny koszt.

Podczas przejścia elektronów z półprzewodnika do metalu energia elektronów przewodzących półprzewodnika jest znacznie wyższa niż poziom Fermiego (patrz energia Fermiego) metalu, a elektrony oddają nadmiar energii. Efekt Peltiera jest szczególnie silny w półprzewodnikach, który jest wykorzystywany do tworzenia półprzewodnikowych urządzeń chłodzących i grzejnych, w tym tworzenia mikrolodówek w agregatach chłodniczych.

Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej

BUDŻET PAŃSTWA FEDERALNA INSTYTUCJA EDUKACYJNA

WYŻSZE WYKSZTAŁCENIE ZAWODOWE

„Kurski Uniwersytet Państwowy”

Wydział Fizyki i Matematyki

Katedra Nanotechnologii

Kurs pracy

Na temat: „Efekt Peltiera”

Wypełniał: studentka III roku 36 grupy Kakurina O.A.

Sprawdził: profesor nadzwyczajny Chelyshev S.Yu.

Wstęp…………………………………………………………………..3

1. Historia odkrycia efektu……..………………………………………………4

2. Uzasadnienie teoretyczne.…………………………………………………6

3. Techniczna realizacja efektu……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………….

4. Wnioski………………………………………………………….19

Wnioski………………………………………………………………….....21

Wykaz wykorzystanej literatury…………………………………..…..23

Wstęp

Praca ta jest poświęcona badaniu zjawiska termoelektrycznego, w którym ciepło jest uwalniane lub pochłaniane, gdy prąd elektryczny przepływa w miejscu styku (złącza) dwóch odmiennych przewodników - efekt Peltiera. Przedstawia historię odkrycia tego zjawiska, opisuje jego teoretyczne uzasadnienie, rozważa techniczną realizację efektu oraz przedstawia zalety i wady elementów Peltiera.

Odkrycia zjawisk termoelektrycznych, w szczególności efektu Peltiera, położyły podwaliny pod rozwój niezależnej dziedziny techniki - termoenergetyki, która zajmuje się zarówno bezpośrednią konwersją energii cieplnej na energię elektryczną, jak i zagadnieniami chłodzenia i ogrzewania termoelektrycznego. Historia odkrycia zjawisk termoelektrycznych ma ponad 180 lat. Praktycznie zastosowano je dopiero w połowie XX wieku, czyli 130 lat po ich odkryciu. Obecnie zjawisko Peltiera ma szerokie zastosowanie praktyczne. Na przykład służy do chłodzenia i kontroli temperatury laserów diodowych w celu stabilizacji długości fali promieniowania; w termostatach; w sprzęcie optycznym; kontrolować proces krystalizacji; jako ogrzewanie do celów grzewczych. Rozpowszechniony w technologii komputerowej; w urządzeniach radioelektrycznych; w sprzęcie medycznym i farmaceutycznym; w sprzęcie AGD; w sprzęcie klimatycznym; do chłodzenia napojów; w przyrządach laboratoryjnych i naukowych; w kostkarkach do lodu; w klimatyzatorach; otrzymywać energię elektryczną; w wodomierzach elektronicznych.

Celem tej pracy jest zapoznanie się z historią odkrycia efektu Peltiera, zbadanie jego fizycznych podstaw, zbadanie elementów opartych na tym zjawisku, opracowanie technicznych implementacji efektu oraz usystematyzowanie zdobytej wiedzy.

1. Historia odkrycia.

Szereg odkryć naukowych w „wielkiej dekadzie” początku XIX wieku położył podwaliny pod opanowanie termoelektryczności, która z pewnością jest najbardziej obiecującym kierunkiem w energetyce przyszłości. Kierunki naukowe w tej dziedzinie stale się rozwijają, a w centrum tych badań znajdują się rosyjscy naukowcy.

Historia odkrycia zjawisk termoelektrycznych ma ponad 180 lat. Praktycznie wykorzystano je dopiero w połowie XX wieku, czyli 130 lat po odkryciu, a przede wszystkim dzięki pracy sowieckiego akademika A.F. Ioffe. Początek położył niemiecki naukowiec Seebeck Thomas Johann (1770 - 1831). W 1822 opublikował wyniki swoich eksperymentów w artykule ">

Dwanaście lat później (1834) po odkryciu Seebecka odkryto „efekt Peltiera”. Ten efekt jest odwrotnością efektu Seebecka. Zjawisko to odkrył francuski fizyk, meteorolog Peltier Jean Charles Athanaz (ryc. 1). Fizyka była jego hobby. Wcześniej pracował jako zegarmistrz w firmie A.L. Breguet, ale dzięki spadkowi otrzymanemu w 1815 roku Peltier mógł poświęcić się eksperymentom z zakresu fizyki i obserwacji zjawisk meteorologicznych. Podobnie jak Seebeck, Peltier nie zinterpretował poprawnie wyników swoich badań. Jego zdaniem uzyskane wyniki posłużyły jako ilustracja tego, że przy przechodzeniu przez obwód słabych prądów nie działa uniwersalne prawo Joule-Lenza dotyczące wydzielania ciepła przez płynący prąd. Dopiero w 1838 r. Petersburski akademik Lents Emil Christianovich (1804-1865) udowodnił, że „efekt Peltiera” jest niezależnym zjawiskiem fizycznym, polegającym na uwalnianiu i pochłanianiu dodatkowego ciepła na skrzyżowaniach obwodu podczas przechodzenia bezpośredniego obecny. W tym przypadku charakter procesu (absorpcja lub uwalnianie) zależy od kierunku prądu. W swoim eksperymencie Lenz eksperymentował z kroplą wody umieszczoną na styku dwóch przewodników (bizmutu i antymonu). Gdy prąd płynął w jednym kierunku, kropla wody zamarzała, a gdy zmieniał się kierunek prądu, topniała. Stwierdzono zatem, że gdy prąd przepływa przez styk dwóch przewodników, ciepło jest uwalniane w jednym kierunku i pochłaniane w drugim. Dwadzieścia lat później William Thomson (później Lord Kelvin) przedstawił wyczerpujące wyjaśnienie efektów Seebecka i Peltiera oraz relacji między nimi. Relacje termodynamiczne uzyskane przez Thomsona pozwoliły mu przewidzieć trzeci efekt termoelektryczny, nazwany później jego imieniem.

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

Odkrycia te położyły podwaliny pod rozwój niezależnej dziedziny techniki - energetyki cieplnej, która zajmuje się zarówno bezpośrednią konwersją energii cieplnej na energię elektryczną (efekt Seebecka), jak i zagadnieniami chłodzenia i ogrzewania termoelektrycznego (efekt Peltiera). . Na początku XIX wieku niemiecki inżynier Altenkirch opracował tę teorię i wprowadził pojęcia współczynnika wydajności i Z-efektywności, pokazując, że efekt Peltiera na złączach metali, ze względu na osiągalną różnicę temperatur zaledwie kilku stopni, jest nie nadaje się do praktycznego użytku. I dopiero kilkadziesiąt lat później, przede wszystkim dzięki wysiłkom akademika A. Ioffe i opracowanej przez niego teorii rozwiązań stałych, uzyskano wyniki teoretyczne i praktyczne, które dały impuls do szerokiego praktycznego zastosowania efektu Peltiera.

2. Uzasadnienie teoretyczne.

Efekt Peltiera to zjawisko termoelektryczne, w którym ciepło jest uwalniane lub pochłaniane, gdy prąd elektryczny przepływa w miejscu styku (połączenia) dwóch różnych przewodników. Ilość wydzielanego ciepła i jego znak zależą od rodzaju stykających się substancji, kierunku i siły przepływającego prądu elektrycznego.

W przeciwieństwie do ciepła Joule-Lenza, które jest proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu (Q = R·I2·t), ciepło Peltiera jest proporcjonalne do pierwszej mocy natężenia prądu i zmienia znak, gdy zmienia się kierunek tej ostatniej . Ciepło Peltiera, jak wykazały badania eksperymentalne, można wyrazić wzorem:

Qp \u003d P q (1)

gdzie q jest ładunkiem przechodzącym przez styk (q = I t), P jest tak zwanym współczynnikiem Peltiera, którego wartość zależy od rodzaju stykających się materiałów i ich temperatury.

Ilość uwolnionego ciepła Qp i jego znak zależą od rodzaju kontaktujących się substancji, natężenia prądu i czasu jego przejścia:

dQp = П12 I dt (2)

Tutaj P12 = P1 – P2 jest współczynnikiem Peltiera dla danego kontaktu, odniesionym do bezwzględnych współczynników Peltiera P1 i P2 stykających się materiałów. Zakłada się, że prąd płynie od pierwszej próbki do drugiej. Po uwolnieniu ciepła Peltiera mamy: QP > 0, P12 > 0, P1 > P2. Gdy ciepło Peltiera jest pochłaniane, jest ono uważane za ujemne i odpowiednio: QП< 0, П12 < 0, П1 < П2. Очевидно, что П12 = – П21.

Wymiar współczynnika Peltiera:

[P] SI = J / C = V.

Zamiast ciepła Peltiera często stosuje się wielkość fizyczną, definiowaną jako energia cieplna uwalniana co sekundę przy kontakcie powierzchni jednostki. Wartość tę, zwaną mocą wydzielania ciepła, określa wzór:

q P = П12 j , (3)

gdzie j = I / S jest gęstością prądu; S to obszar kontaktu.

Wymiar tej ilości:

SI = W/m2.

Ryż. 2. Schemat eksperymentu pomiaru ciepła Peltiera

(Cu - miedź, Bi - bizmut).

W przedstawionym schemacie eksperymentu (rys. 2) pomiaru ciepła Peltiera, przy tej samej rezystancji przewodów R (Cu + Bi) zanurzonych w kalorymetrach, w każdym kalorymetrze będzie wydzielane to samo ciepło Joule'a, czyli Q = RI2t. Z drugiej strony ciepło Peltiera będzie dodatnie w jednym kalorymetrze i ujemne w innym. Zgodnie z tym schematem można zmierzyć ciepło Peltiera i obliczyć wartości współczynników Peltiera dla różnych par przewodników. Współczynnik Peltiera jest silnie zależny od temperatury. Niektóre wartości współczynnika Peltiera dla różnych par metali przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1.

Wartości współczynnika Peltiera dla różnych par metali

Współczynnik Peltiera, który jest ważną właściwością techniczną materiałów, zwykle nie jest mierzony, ale obliczany za pomocą współczynnika Thomsona:

P = a T , (4)

gdzie P to współczynnik Peltiera, a to współczynnik Thomsona, T to temperatura bezwzględna.

Odkrycie efektu Peltiera miało ogromny wpływ na dalszy rozwój fizyki, a później na różne dziedziny techniki.

Istota efektu otwartego jest więc następująca: gdy prąd elektryczny przepływa przez styk dwóch przewodników wykonanych z różnych materiałów, w zależności od jego kierunku, oprócz ciepła Joule'a, dodatkowe ciepło jest uwalniane lub pochłaniane, co nazywa się Peltierem ciepło. Stopień manifestacji tego efektu w dużej mierze zależy od materiałów wybranych przewodników i zastosowanych trybów elektrycznych.

Klasyczna teoria wyjaśnia zjawisko Peltiera faktem, że elektrony przenoszone przez prąd z jednego metalu do drugiego są przyspieszane lub spowalniane przez wewnętrzną różnicę potencjałów kontaktowych między metalami. W pierwszym przypadku energia kinetyczna elektronów wzrasta, a następnie jest uwalniana w postaci ciepła. W drugim przypadku energia kinetyczna elektronów maleje, a ta utrata energii jest uzupełniana z powodu drgań termicznych atomów drugiego przewodnika. Rezultatem jest chłodzenie. Pełniejsza teoria nie uwzględnia zmiany energii potencjalnej podczas przenoszenia elektronu z jednego metalu na drugi, ale zmianę energii całkowitej.

Na ryc. 3 i ryc. 4 przedstawia obwód zamknięty złożony z dwóch różnych półprzewodników PP1 i PP2 ze stykami A i B.

Ryż. 3. Wytwarzanie ciepła Peltiera (zacisk A)

Ryż. 4. Absorpcja ciepła Peltiera (styk A)

Taki obwód jest zwykle nazywany termoelementem, a jego gałęzie nazywane są termoelektrodami. Przez obwód przepływa prąd I, wytwarzany przez zewnętrzne źródło E. 3 ilustruje sytuację, w której na styku A (prąd płynie z PS1 do PS2) ciepło Peltiera jest uwalniane Qp (A) > 0, a na styku B (prąd jest kierowany z PS2 na PS1) jego pochłanianie wynosi Qp (V)< 0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА >TELEWIZJA. Na ryc. 4, zmiana znaku źródła zmienia kierunek prądu na przeciwny: z PS2 na PS1 na styku A i z PS1 na PS2 na styku B. W związku z tym zmienia się znak ciepła Peltiera i stosunek między temperatury styków: Qp (A)< 0, ТА < ТВ .

Efekt Peltiera, podobnie jak wiele zjawisk termoelektrycznych, jest szczególnie wyraźny w obwodach składających się z półprzewodników z przewodnictwem elektronicznym (typu n) i dziurowym (typu p). Takie półprzewodniki nazywane są odpowiednio półprzewodnikami typu n i p lub po prostu półprzewodnikami typu n i p. Rozważ sytuację, w której prąd w styku przechodzi z półprzewodnika otworowego do elektronicznego. W tym przypadku elektrony i dziury zbliżają się do siebie i po spotkaniu rekombinują. W wyniku rekombinacji uwalniana jest energia, która jest uwalniana w postaci ciepła. Ta sytuacja jest rozważana na ryc. 5, który pokazuje pasma energii (Ec - pasmo przewodnictwa, Ev - pasmo walencyjne) dla domieszek półprzewodników z przewodnictwem dziurowym i elektronowym.

Ryż. 5. Generowanie ciepła Peltiera na styku półprzewodników typu p i n

Na ryc. 6 (Ec – pasmo przewodnictwa, Ev – pasmo walencyjne) ilustruje absorpcję ciepła Peltiera w przypadku, gdy prąd przechodzi z n- do p-półprzewodników.

Ryż. 6. Pochłanianie ciepła Peltiera na styku półprzewodników typu p i n

Tutaj elektrony w elektronice i dziury w półprzewodnikach dziurowych poruszają się w przeciwnych kierunkach, oddalając się od interfejsu. Utrata nośników prądu w obszarze granicznym jest uzupełniana przez wytwarzanie parami elektronów i dziur. Utworzenie takich par wymaga energii, którą dostarczają drgania termiczne atomów sieci. Powstałe elektrony i dziury są unoszone przez pole elektryczne w przeciwnych kierunkach. Dlatego podczas gdy prąd przepływa przez kontakt, narodziny nowych par nieustannie następują. W rezultacie ciepło zostanie pochłonięte w kontakcie. W lodówkach termoelektrycznych stosuje się półprzewodniki o przewodności typu p i n (rys. 7).

Ryż. 7. Zastosowanie półprzewodników typu p i n w lodówkach termoelektrycznych.

3. Techniczna realizacja efektu.

Połączenie dużej liczby par półprzewodników typu p i n pozwala na tworzenie elementów chłodzących – modułów Peltiera o stosunkowo dużej mocy.

Moduł Peltiera (element Peltiera) to przetwornik termoelektryczny, którego zasada działania oparta jest na efekcie Peltiera.

Strukturę półprzewodnikowego termoelektrycznego modułu Peltiera pokazano na ryc. osiem.

Ryż. 8. Struktura modułu Peltiera.

Moduł Peltiera to lodówka termoelektryczna składająca się z półprzewodników typu p i p połączonych szeregowo, tworzących złącza p-n- i n-p. Każde z tych przejść ma kontakt termiczny z jednym z dwóch promienników. W wyniku przepływu prądu elektrycznego o określonej biegunowości pomiędzy grzejnikami modułu Peltiera powstaje różnica temperatur: jeden grzejnik działa jak lodówka, drugi grzejnik nagrzewa się i służy do odprowadzania ciepła. Na ryc. 9 przedstawia wygląd typowego modułu Peltiera.

Ryż. 9. Wygląd modułu Peltiera.

Typowy moduł zapewnia znaczną różnicę temperatur, która wynosi kilkadziesiąt stopni. Przy odpowiednim wymuszonym chłodzeniu grzejnika, drugi grzejnik, lodówka, umożliwia uzyskanie ujemnych temperatur. W celu zwiększenia różnicy temperatur możliwe jest kaskadowe łączenie modułów termoelektrycznych Peltiera, pod warunkiem, że są one odpowiednio schłodzone. Pozwala to stosunkowo prostymi środkami uzyskać znaczną różnicę temperatur i zapewnić skuteczne chłodzenie chronionych elementów. Na ryc. 10 przedstawia przykład połączenia kaskadowego typowych modułów Peltiera.

Ryż. 10. Przykład połączenia kaskadowego modułów Peltiera

Urządzenia chłodzące oparte na modułach Peltiera są często określane jako aktywne chłodnice Peltiera lub po prostu chłodnice Peltiera (rys. 11). Zastosowanie modułów Peltiera w chłodnicach aktywnych sprawia, że są one znacznie wydajniejsze od standardowych typów chłodnic opartych na tradycyjnych radiatorach i wentylatorach. Jednak w procesie projektowania i użytkowania chłodnic z modułami Peltiera należy wziąć pod uwagę szereg specyficznych cech wynikających z konstrukcji modułów, zasady ich działania, architektury nowoczesnego sprzętu komputerowego oraz funkcjonalności systemu. i oprogramowanie użytkowe.

Ryż. 11. Wygląd chłodnicy z modułem Peltiera

Główną cechą termoelektrycznego urządzenia chłodzącego jest wydajność chłodzenia:

Z = a2 / (r l), (5)

gdzie a jest współczynnikiem mocy cieplnej; r jest opornością; l jest właściwą przewodnością cieplną półprzewodnika.

Parametr Z jest funkcją temperatury i stężenia nośników ładunku, a dla każdej zadanej temperatury istnieje optymalna wartość stężenia, przy której wartość Z jest maksymalna. Wprowadzenie pewnych zanieczyszczeń do półprzewodnika jest głównym dostępnym sposobem zmiany jego wskaźników (a, r, l) w pożądanym kierunku. Nowoczesne termoelektryczne urządzenia chłodnicze zapewniają obniżenie temperatury od +20°C do 200°C; ich moc chłodnicza z reguły nie przekracza 100 W.

Moduły Peltiera stosowane jako część elektronicznych środków chłodzących charakteryzują się stosunkowo dużą niezawodnością i w przeciwieństwie do tradycyjnych lodówek nie posiadają części ruchomych. I, jak wspomniano powyżej, w celu zwiększenia wydajności ich pracy umożliwiają kaskadowe stosowanie, co umożliwia doprowadzenie temperatury obudów chronionych elementów elektronicznych do wartości ujemnych nawet przy ich znacznej mocy rozpraszania. Ponadto moduł jest odwracalny, tj. gdy polaryzacja DC jest odwrócona, płyty gorąca i zimna są odwrócone.

Jednak oprócz oczywistych zalet, moduły Peltiera mają również szereg specyficznych właściwości i cech, które należy wziąć pod uwagę stosując je jako część chłodziwa. Do najważniejszych cech należą następujące cechy działania:

Moduły Peltiera, które podczas swojej pracy generują dużą ilość ciepła, wymagają obecności w chłodnicy odpowiednich radiatorów i wentylatorów, które mogą skutecznie odprowadzać nadmiar ciepła z modułów chłodzących. Moduły termoelektryczne charakteryzują się stosunkowo niskim współczynnikiem wydajności (COP) i pełniąc funkcje pompy ciepła same w sobie są potężnymi źródłami ciepła. Zastosowanie tych modułów jako części środków chłodzących podzespoły elektroniczne komputera powoduje znaczny wzrost temperatury wewnątrz jednostki systemowej, co często wymaga dodatkowych środków i środków do obniżenia temperatury wewnątrz obudowy komputera. W przeciwnym razie podwyższona temperatura wewnątrz obudowy utrudnia pracę nie tylko chronionym elementom i ich układom chłodzenia, ale także pozostałym podzespołom komputera. Ponadto moduły Peltiera są stosunkowo potężnym dodatkowym obciążeniem dla zasilacza. Biorąc pod uwagę wartość poboru prądu przez moduły Peltiera, moc zasilacza komputera musi wynosić co najmniej 250 W. Wszystko to prowadzi do celowości wyboru płyt głównych ATX i obudów z zasilaczami o wystarczającej mocy. Zastosowanie tej konstrukcji ułatwia komponentom komputerowym organizowanie optymalnych trybów termicznych i elektrycznych.

Moduł Peltiera w przypadku awarii izoluje chłodzony element od chłodnicy. Prowadzi to do bardzo szybkiego naruszenia reżimu termicznego chronionego elementu i jego wczesnej awarii w wyniku późniejszego przegrzania.

Niskie temperatury występujące podczas pracy lodówek Peltiera z nadmierną mocą przyczyniają się do kondensacji wilgoci z powietrza. Stanowi to zagrożenie dla elementów elektronicznych, ponieważ kondensacja może powodować zwarcia między elementami. Aby wyeliminować to niebezpieczeństwo, zaleca się stosowanie lodówek Peltiera o optymalnej mocy. To, czy wystąpi kondensacja, czy nie, zależy od kilku parametrów. Najważniejsze z nich to: temperatura otoczenia (w tym przypadku temperatura powietrza wewnątrz obudowy), temperatura chłodzonego obiektu oraz wilgotność powietrza. Im cieplejsze powietrze wewnątrz obudowy i im większa wilgotność, tym większe prawdopodobieństwo kondensacji wilgoci i późniejszej awarii elementów elektronicznych komputera.

Oprócz tych cech należy wziąć pod uwagę szereg specyficznych okoliczności związanych z zastosowaniem modułów termoelektrycznych Peltiera jako części chłodnic służących do chłodzenia wysokowydajnych procesorów centralnych potężnych komputerów.

Architektura nowoczesnych procesorów (rys. 12) i niektóre programy systemowe przewidują zmianę zużycia energii w zależności od obciążenia procesorów. Pozwala to zoptymalizować ich zużycie energii. W normalnych warunkach optymalizacja procesora i jego zużycia energii ma korzystny wpływ zarówno na reżim cieplny samego procesora, jak i na ogólny bilans cieplny. Należy jednak zauważyć, że tryby z okresową zmianą poboru mocy mogą nie być dobrze połączone ze sposobem chłodzenia procesorów za pomocą modułów Peltiera. Wynika to z faktu, że istniejące lodówki Peltiera są zwykle projektowane do pracy ciągłej.

Ryż. 12. Procesor z modułem Peltiera

Pewne problemy mogą pojawić się również w wyniku działania szeregu wbudowanych funkcji, np. sterujących wentylatorami chłodnic. W szczególności tryby zarządzania energią procesora w niektórych systemach komputerowych umożliwiają zmianę prędkości wentylatorów chłodzących za pomocą wbudowanego sprzętu płyty głównej. W normalnych warunkach znacznie poprawia to zachowanie termiczne procesora komputera. Jednak w przypadku zastosowania najprostszych lodówek Peltiera, zmniejszenie prędkości obrotowej może prowadzić do pogorszenia reżimu termicznego z fatalnym skutkiem dla procesora już z powodu jego przegrzania przez działający moduł Peltiera, który oprócz pełniąc funkcje pompy ciepła, jest potężnym źródłem dodatkowego ciepła.

Należy zauważyć, że podobnie jak w przypadku komputerowych jednostek centralnych, lodówki Peltiera mogą być dobrą alternatywą dla tradycyjnych sposobów chłodzenia chipsetów wideo stosowanych w nowoczesnych kartach wideo o wysokiej wydajności. Działaniu takich chipsetów wideo towarzyszy znaczne rozpraszanie ciepła i zwykle nie podlegają nagłym zmianom w ich trybach pracy.

W celu wyeliminowania problemów ze zmiennymi trybami zasilania, które powodują kondensację wilgoci z powietrza i ewentualną hipotermię, a w niektórych przypadkach nawet przegrzewanie się chronionych elementów, takich jak procesory komputerowe, należy odmówić stosowania takich trybów i szeregu wbudowanych Funkcje. Jednak jako alternatywę można zastosować systemy chłodzenia, które zapewniają inteligentne sterowanie dla lodówek Peltiera. Takie narzędzia mogą sterować nie tylko pracą wentylatorów, ale także zmieniać tryby pracy samych modułów termoelektrycznych stosowanych w aktywnych chłodnicach.

Prace w kierunku doskonalenia systemów zapewniających optymalne warunki temperaturowe elementów elektronicznych prowadzi wiele laboratoriów badawczych. A systemy chłodzenia wykorzystujące moduły termoelektryczne Peltiera są uważane za niezwykle obiecujące.

4. Aplikacje.

Główne obszary praktycznego wykorzystania efektu Peltiera w półprzewodnikach to: pozyskiwanie zimna do tworzenia termoelektrycznych urządzeń chłodzących, ogrzewanie do celów grzewczych, regulacja temperatury, sterowanie procesem krystalizacji w warunkach stałej temperatury. Moduły termoelektryczne (TEM) są stosowane w urządzeniach chłodzących do elementów elektronicznych i różnych urządzeniach do kontroli temperatury ze względu na łatwość precyzyjnej elektronicznej kontroli temperatury zarówno w przypadku ogrzewania, jak i chłodzenia.

Maksymalną wydajność chłodniczą TEM uzyskuje się przy określonej wartości prądu, która przy danej wartości napięcia zasilania przedstawiana jest jako Imax. Niestacjonarny tryb zasilania z impulsami prądowymi kilkakrotnie wyższymi niż Imax, przez pewien czas umożliwi uzyskanie wydajności chłodniczej znacznie większej niż na tabliczce znamionowej. Wyjaśnia to fakt, że sam efekt Peltiera jest bezwładnościowy, w przeciwieństwie do propagacji ciepła Joule'a i zjawiska przewodnictwa cieplnego, i w ciągu kilku sekund można go wykorzystać. Jednak systemy niestacjonarne nie są szeroko stosowane.

Ze względu na odwracalność efektów termoelektrycznych, TEM mogą być również wykorzystywane jako generatory termoelektryczne (TEG). Z dala od cywilizacyjnych wygód może to być jedno z nielicznych dostępnych źródeł energii elektrycznej, na przykład do ładowania baterii lub bezpośredniego zasilania sprzętu elektronicznego lub innych urządzeń. Szeroko stosowane są urządzenia, w których powstaje różnica temperatur pomiędzy zewnętrzną powłoką metalową, ogrzewaną otwartym ogniem (ognisko), a wewnętrzną powłoką chłodzoną wodą. Strona "zimna" będzie ograniczona temperaturą wrzenia wody, dlatego taki TEM powinien być zaprojektowany na temperaturę roboczą 500 - 600°K. Należy pamiętać, że bilans cieplny dla TEG różni się jakościowo od TEM opartego na efekcie Peltiera, a efekt ten (wraz z ciepłem Joule'a) stanowi zaledwie kilka procent całkowitego wkładu, co wymaga zupełnie innego podkreślenia w projekt TEG. TEG są szeroko stosowane w technologii kosmicznej, gdzie temperaturę „gorącej” strony utrzymuje źródło radioizotopowe. Rozruszniki serca wszczepiane do ludzkiego ciała są również wyposażone w TEG ze źródłem radioizotopowym, aby wytworzyć różnicę temperatur.

Ponadto elementy Peltiera są często używane do chłodzenia i kontroli temperatury laserów diodowych w celu stabilizacji długości fali promieniowania. W urządzeniach, w których moc chłodzenia jest niska, elementy Peltiera są często używane jako drugi lub trzeci stopień chłodzenia. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie temperatur o 30-40 K niższych niż w przypadku konwencjonalnych chłodnic kompresyjnych.

Wniosek

Efekt Peltiera został odkryty przez Francuza Jean-Charlesa Peltiera w 1834 roku. Podczas przeprowadzania jednego z eksperymentów przepuszczał prąd elektryczny przez pasek bizmutu, do którego podłączone były miedziane przewodniki. Podczas eksperymentu odkryłem, że jeden związek bizmutu i miedzi nagrzewa się, a drugi stygnie. Sam Peltier nie do końca rozumiał istotę odkrytego przez siebie zjawiska. Prawdziwe znaczenie tego zjawiska wyjaśnił później w 1838 r. Lenz. W swoim eksperymencie Lenz eksperymentował z kroplą wody umieszczoną na styku dwóch przewodników (bizmutu i antymonu). Gdy prąd płynął w jednym kierunku, kropla wody zamarzała, a gdy zmieniał się kierunek prądu, topniała. Stwierdzono zatem, że gdy prąd przepływa przez styk dwóch przewodników, ciepło jest uwalniane w jednym kierunku i pochłaniane w drugim. Zjawisko to nazwano efektem Peltiera.

Klasyczna teoria wyjaśnia zjawisko Peltiera tym, że gdy elektrony są przenoszone przez prąd z jednego metalu do drugiego, są przyspieszane lub spowalniane przez wewnętrzną różnicę potencjałów kontaktowych między metalami. W przypadku przyspieszenia energia kinetyczna elektronów wzrasta, a następnie jest uwalniana w postaci ciepła. W przeciwnym przypadku energia kinetyczna maleje, a energia jest uzupełniana energią drgań termicznych atomów drugiego przewodnika, a zatem zaczyna się ochładzać. Pełniejsze rozważanie uwzględnia zmianę nie tylko potencjału, ale także całkowitej energii.

Moduły (elementy) Peltiera zostały stworzone w oparciu o efekt Peltiera. Składają się z jednej lub więcej par małych półprzewodnikowych równoległościanów, które są połączone parami za pomocą metalowych zworek. Zworki metalowe służą jednocześnie jako styki termiczne i są izolowane nieprzewodzącą folią lub płytą ceramiczną. Pary równoległościanów są połączone w taki sposób, że powstaje szeregowe połączenie wielu par półprzewodników o różnych rodzajach przewodności, tak że na górze znajduje się jedna sekwencja połączeń (n-\u003e p), a od dołu są przeciwnie (p-\u003e n). Prąd elektryczny przepływa sekwencyjnie przez wszystkie równoległościany. W zależności od kierunku prądu górne styki są chłodzone, a dolne podgrzewane - lub odwrotnie. W ten sposób prąd elektryczny przenosi ciepło z jednej strony elementu Peltiera na przeciwną i tworzy różnicę temperatur.

Wielostopniowe elementy Peltiera służą do chłodzenia odbiorników promieniowania w czujnikach podczerwieni. Obecnie prowadzone są eksperymenty nad osadzaniem miniaturowych modułów Peltiera bezpośrednio w mikroukładach procesora w celu chłodzenia ich najbardziej krytycznych struktur. Rozwiązanie to przyczynia się do lepszego chłodzenia poprzez zmniejszenie oporności termicznej oraz może znacząco zwiększyć częstotliwość pracy i wydajność procesorów.Tak więc odkrycie efektu Peltiera miało ogromny wpływ na dalszy rozwój fizyki, a później różnych dziedzin techniki.

Bibliografia

1. Encyklopedia fizyczna. - M .: Wielka rosyjska encyklopedia, 1998. - V.5. - S. 98 - 99, 125.

2. Landau L.D., Lifshits E.M. Fizyka teoretyczna: Proc. dodatek: dla uczelni. W 10. t. T. VIII. Elektrodynamika ośrodków ciągłych. - wyd. 4, Stereot.-M.: Fizmatlit, 2003. - 656 s.

3. Maripov A. Fizyczne podstawy elektroniki. - B.: Polygraphbumresources, 2010. - 252 s.

4. Sivukhin SD Ogólny kurs fizyki. - M.: Nauka, 1977. - V.3. Elektryczność. - S. 490 - 494.

5. Stilbans L.S. Fizyka półprzewodników. – M.: Sow. radio, 1967. - S.75 - 83, 292 - 311.

6. Narkiewicz, I. I., Volmyansky, E. I. i Lobko, S. I. Fizyka dla wyższych technicznych instytucji edukacyjnych. - Mińsk: Nowa wiedza, 2004. - 680 pkt.

7. Ioffe. A.F. Termoelementy półprzewodnikowe - M.; L.: Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1960. – s.188

Tekst pracy jest umieszczony bez obrazów i wzorów.
Pełna wersja pracy dostępna jest w zakładce „Pliki pracy” w formacie PDF

Wstęp

Efekt Peltiera to zjawisko termoelektryczne, w którym ciepło jest uwalniane lub pochłaniane, gdy prąd elektryczny przepływa w miejscu styku (połączenia) dwóch różnych przewodników.

Efekt Seebecka to zjawisko występowania pola elektromagnetycznego w zamkniętym obwodzie elektrycznym składającym się z różnych przewodników połączonych szeregowo, których styki mają różne temperatury.

Oba te efekty zostały odkryte w XIX wieku: J. Peltier w 1834 r., istotę zjawiska zbadał kilka lat później - w 1838 r. Lenz przeprowadził eksperyment, w którym umieścił kroplę wody we wnęce przy ul. połączenie dwóch prętów bizmutu i antymonu. T. I. Seebeck odkrył efekt o tej samej nazwie w 1821 r. W 1822 r. opublikował wyniki swoich eksperymentów w artykule „W kwestii polaryzacji magnetycznej niektórych metali i rud powstających pod wpływem różnic temperatur”, opublikowanym w raportach Pruska Akademia Nauk

Zainteresował mnie ten temat, ponieważ elementy wynalezione jeszcze w XIX wieku są nadal skutecznie wykorzystywane w nowoczesnych urządzeniach. Pomimo tego, że w każdym przypadku wybierany jest element o niezbędnych parametrach, teoria i źródła podają, że elementy są wymienne. Czy nam się to podoba, czy nie, planujemy sprawdzić w naszym gabinecie.

Sformułowanie problemu:

Oba efekty (efekt Peltiera i efekt Seebecka) są szeroko stosowane we współczesnej technologii, a zasada działania stworzonych na ich podstawie pierwiastków jest dostępna do zrozumienia w ramach studiowania szkolnego kursu fizyki. Tymczasem o tych efektach nie wspomina się w szkolnym kursie fizyki. Praca ta, oprócz wartości użytkowej, posiada również ważny aspekt metodologiczny związany z włączeniem do zajęć szkolnych opisów różnych osiągnięć naukowych.

Hipoteza badawcza: istnieją różnice podczas korzystania z bezpośrednich i odwróconych efektów Peltiera i Seebecka.

Cel badania: identyfikując charakterystyczne cechy efektu Peltiera i efektu Seebecka, gdy są używane w kierunku do przodu i do tyłu.

Cele badań:

Zbadanie historii odkrycia efektu Peltiera i efektu Seebecka.

Zbadanie cech bezpośredniego i odwrotnego efektu Peltiera, bezpośredniego i odwrotnego efektu Seebecka.

Utwórz konfigurację dla eksperymentu.

Przeprowadź serię eksperymentów, aby przetestować hipotezę.

Przeanalizuj wyniki eksperymentu i dojdź do wniosku, czy hipoteza została potwierdzona, czy nie.

Przedmiot studiów: Element Peltiera i element Seebecka.

Przedmiot badań: cechy bezpośredniego i odwrotnego efektu efektu Peltiera oraz bezpośredniego i odwrotnego efektu Seebecka.

Metody badawcze

W badaniu zastosowano następujące metody:

1. Teoretyczne:

Analiza źródeł informacji o historii odkrycia rozważanych w pracy efektów Peltiera i Seebecka,

Analiza informacji o zasadzie działania elementów Peltiera i Seebeck,

Analiza uzyskanych danych eksperymentalnych.

Indukcja niepełna: sformułowanie wniosku na podstawie danych, które nie obejmują wszystkich aspektów i możliwych kombinacji cech badanych obiektów.

2. Empiryczne:

Przeprowadzenie serii eksperymentów w celu sprawdzenia hipotezy.

To badanie jest stosowane. Wyniki badania dadzą odpowiedź na temat skuteczności możliwości wymienności elementów Peltiera i Seebecka.

Analiza źródła

Opisując badane efekty, wszystkie źródła podają, że istnieje „efekt Peltiera i jego efekt odwrotny, tak zwany efekt Seebecka”, natomiast nie wspomina się o odwrotnym efekcie Seebecka. W trakcie tej pracy, oprócz odkrycia bezpośredniego i odwrotnego efektu Pelte'a oraz porównania odwrotnego efektu Peltiera z bezpośrednim efektem Seebecka, zweryfikujemy istnienie odwrotnego efektu Seebecka.

O istotności badanego zagadnienia świadczy uwaga, jaką poświęcono badaniu tych efektów w podręcznikach zagranicznych. Podają nie tylko opis rozważanych efektów, ale także ich wyjaśnienie, a także opowiadają o ich zastosowaniu.

Witryna rosyjskiego producenta sprzętu edukacyjnego LLC 3B Scientific oferuje instalację laboratoryjną z efektem Seebecka o wartości 229 873,00 rubli. , któremu towarzyszy rozwój metodologiczny. Po jej przestudiowaniu doszliśmy do wniosku, że taki eksperyment można przeprowadzić na sprzęcie, który nie wymaga tak wysokich kosztów.

Główna część Efekt Pelte

Efekt Peltiera to termoelektryczne zjawisko przenoszenia energii podczas przepływu prądu elektrycznego w miejscu styku (połączenia) dwóch różnych przewodników, z jednego przewodnika do drugiego. Jest to również efekt odwrotny do efektu Seebecka, ale może również pełnić swoje funkcje.

Gdy jedna strona jest podgrzewana, a druga chłodzona, element ten może generować energię elektryczną. A także ten element ma odwrotny skutek, to znaczy, gdy ten element jest podłączony do prądu, jedna strona ostygnie, a druga będzie się nagrzewać.

Powód wystąpienia zjawiska Peltiera jest następujący. Na styku dwóch substancji powstaje różnica potencjałów kontaktowych, która tworzy wewnętrzne pole kontaktowe. Jeśli przez styk przepływa prąd elektryczny, to pole to albo ułatwi przepływ prądu, albo go utrudni. Jeśli prąd idzie wbrew polu styku, to zewnętrzne źródło musi zużywać dodatkową energię, która jest uwalniana w styku, co prowadzi do jego nagrzewania. Jeśli prąd płynie w kierunku pola kontaktowego, to może być wspierany przez to pole, które wykonuje pracę przesuwania ładunków. Potrzebna do tego energia jest odbierana substancji, co prowadzi do jej schłodzenia w miejscu kontaktu.

efekt Seebecka

Jeśli wzdłuż przewodnika występuje gradient temperatury, elektrony na gorącym końcu uzyskują wyższe energie i prędkości niż na zimnym końcu; w półprzewodnikach ponadto koncentracja elektronów przewodzących wzrasta wraz z temperaturą. Rezultatem jest przepływ elektronów z gorącego końca do zimnego końca. Ładunek ujemny gromadzi się na zimnym końcu, podczas gdy nieskompensowany ładunek dodatni pozostaje na gorącym końcu. Proces akumulacji ładunku trwa do momentu, gdy powstała różnica potencjałów spowoduje przepływ elektronów w kierunku przeciwnym, równym do pierwotnego, dzięki czemu ustala się równowaga.

Pole elektromagnetyczne, którego występowanie opisuje ten mechanizm, nazywa się polem wolumetrycznym.

Cechy elementów Peltiera i Seebecka

Główną cechą tych elementów jest to, że element Peltiera ma odwrotny skutek, ale element Seebecka nie. I to pomimo faktu, że odwrotny efekt elementu Peltiera jest efektem elementu Seebecka.

W rezultacie efekt Seebecka znalazł szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach.

Element Peltiera jest dokładnym przeciwieństwem urządzeń opartych na efekcie Seebecka. W tym przypadku przeciwnie, pod wpływem prądu elektrycznego na platformach roboczych konstrukcji powstaje różnica temperatur. W ten sposób za pomocą prądu elektrycznego ciepło jest przenoszone z jednej termopary na drugą. Gdy zmieni się aktualny kierunek, strona podgrzewana przyjmie stan przeciwny.

Efekt ten występuje w dwóch różnych przewodnikach o tej samej przewodności. W każdym z nich elektrony mają inną wartość energetyczną i znajdują się w bardzo bliskiej odległości od siebie. W efekcie ładunki będą przenoszone z jednego ośrodka do drugiego, a elektrony o większej energii na tle niskich poziomów oddadzą nadmiar sieci krystalicznej, powodując nagrzewanie. Przy braku energii, wręcz przeciwnie, jest przenoszony z sieci krystalicznej, co prowadzi do ochłodzenia złącza.

Zastosowanie efektu Peltiera i efektu Seebecka

Badane efekty są wykorzystywane do tworzenia czujników termicznych, generatorów termoelektrycznych, a także są wykorzystywane w komputerach do poprawy chłodzenia procesorów.

Obecnie efekt Seebecka jest wykorzystywany w czujnikach zintegrowanych, w których odpowiednie pary materiałów osadzane są na powierzchni podłoży półprzewodnikowych. Przykładem takich czujników jest termopara do wykrywania promieniowania cieplnego. Ponieważ krzem ma wystarczająco duży współczynnik Seebecka, na jego bazie powstają bardzo czułe detektory termoelektryczne.

Jednym z istotnych ograniczeń, jakie pojawiają się przy stosowaniu przetwornika termoelektrycznego jest niski współczynnik sprawności - 3-8%. Ale jeśli nie jest możliwe prowadzenie standardowych linii energetycznych, a obciążenie sieci jest niewielkie, wówczas zastosowanie generatorów termoelektrycznych jest w pełni uzasadnione. W rzeczywistości urządzenia oparte na efekcie Seebecka mogą być używane w różnych obszarach:

1. Zasilanie technologii kosmicznej;

2. Dostawa sprzętu gazowego i naftowego;

3. Generatory domowe;

4. Morskie systemy nawigacyjne;

5. Systemy grzewcze;

6. Wykorzystanie ciepła odpadowego pojazdu;

7. Konwertery energii słonecznej;

8. Konwertery ciepła wytwarzanego przez źródła naturalne (np. wody geotermalne).

Efekt Peltiera jest stosowany w dwóch sytuacjach: gdy konieczne jest albo doprowadzenie ciepła do połączenia materiałów, albo jego usunięcie, co odbywa się poprzez zmianę kierunku prądu. Ta właściwość znalazła zastosowanie w urządzeniach, w których wymagana jest precyzyjna kontrola temperatury. Elementy Peltiera znajdują zastosowanie w sytuacjach, gdy wymagane jest chłodzenie z niewielką różnicą temperatur lub nie jest istotna sprawność energetyczna chłodnicy. Na przykład elementy Peltiera są stosowane w małych lodówkach samochodowych, ponieważ zastosowanie kompresora w tym przypadku jest niemożliwe ze względu na ograniczone wymiary, a dodatkowo wymagana wydajność chłodnicza jest niewielka.

Ponadto elementy Peltiera służą do chłodzenia urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym w aparatach cyfrowych. Dzięki temu podczas długich ekspozycji (np. w astrofotografii) uzyskuje się zauważalną redukcję szumów termicznych. Wielostopniowe elementy Peltiera służą do chłodzenia odbiorników promieniowania w czujnikach podczerwieni.

Często stosowane są również elementy Peltiera:

1. Do chłodzenia i kontroli temperatury laserów diodowych w celu stabilizacji długości fali promieniowania;

2. W technologii komputerowej;

3. W urządzeniach radioelektrycznych;

4. W sprzęcie medycznym i farmaceutycznym;

5. W sprzęcie AGD;

6. W sprzęcie klimatycznym;

7. W termostatach;

8. W sprzęcie optycznym;

9. Kontrolować proces krystalizacji;

10. Jako ogrzewanie do celów grzewczych;

11. Do chłodzenia napojów;

12. W przyrządach laboratoryjnych i naukowych;

13. W maszynach do lodu;

14. W klimatyzatorach;

15. Wytwarzanie energii elektrycznej;

16. W wodomierzach elektronicznych.

Oczywiście urządzenia chłodzące Peltiera nie nadają się do masowego użytku. Są dość drogie i wymagają prawidłowej eksploatacji. Dziś jest to raczej narzędzie dla fanów podkręcania procesorów. Jeśli jednak wymagane jest mocne chłodzenie procesora, chłodnice Peltiera są najbardziej wydajnymi urządzeniami.

Istnieją doniesienia o eksperymentach osadzania miniaturowych modułów Peltiera bezpośrednio w chipach procesora w celu chłodzenia ich najbardziej krytycznych struktur. Takie rozwiązanie przyczynia się do lepszego chłodzenia poprzez zmniejszenie oporności termicznej oraz może znacząco zwiększyć częstotliwość pracy i wydajność procesorów.

Opis układu doświadczalnego

Na potrzeby eksperymentu stworzono układ umożliwiający uzyskanie niezbędnych danych.

Aby ograniczyć wymianę ciepła z otoczeniem, konieczne jest stworzenie termostatu. W układzie doświadczalnym osiągnięto to za pomocą materiałów termoizolacyjnych stosowanych w budownictwie, w których stworzono dwie wanny, oddzielone w jednym przypadku elementami Peltiera, w drugim elementem Seebecka. Do kąpieli używano odpornych na wilgoć pojemników na soki. Hydroizolację elementów uzyskuje się za pomocą pistoletu do klejenia.

Do eksperymentu wybrano elementy Peltiera i Seebecka o podobnej charakterystyce: napięcia roboczego i mocy.

Jako przyrządy pomiarowe do ustalania temperatury zastosowano multimetry.

Wartość napięcia mierzono również multimetrem lub woltomierzem.

Metoda eksperymentalna

W zależności od badanego pierwiastka, do różnych sekcji kąpieli wlewano wodę o różnych temperaturach (bezpośredni efekt Seebecka i odwrotny efekt Peltiera) lub wodę o tej samej temperaturze w celu wykrycia bezpośredniego efektu Peltiera i odwrotnego efektu Seebecka).

Odczyty czujników temperatury wprowadzono do tabeli (Załącznik 1), na podstawie której zbudowano wykresy zależności napięcia od temperatury.

Każdy eksperyment prowadzono przez 7-10 minut.

Wyniki eksperymentu

Na podstawie danych uzyskanych w trakcie czterech eksperymentów skonstruowano wykresy

Podczas eksperymentu obserwuje się bezpośredni efekt Seebecka i odwrotny efekt Peltiera odpowiednich elementów, których wartości napięcia są w przybliżeniu takie same. Jak widać z wykresu, zależność napięcia na elemencie od różnicy temperatur powierzchni jest podobna. Różnica wartości tłumaczy się różnicą w charakterystyce obiektów.

Porównanie bezpośredniego efektu Peltiera i odwrotnego efektu Seebecka

Odwrócony efekt Seebecka

Jak widać z wykresu, biorąc pod uwagę błędy związane z cechami konstrukcyjnymi urządzenia (wskazane w instrukcji), możemy założyć, że temperatura nie uległa zmianie podczas eksperymentu, co wskazuje, że odwrotny efekt Seebecka nie był zarejestrowany.

Można to ocenić na podstawie wykresu z dodatkiem linii trendu.

Bezpośredni efekt Peltiera

Eksperyment potwierdził występowanie bezpośredniego efektu Peltiera: temperatura w jednej części kąpieli wzrosła, aw drugiej spadła.

Podobny wniosek płynie z analizy zmian różnicy temperatur pomiędzy dwoma stronami elementu Peltiera.

Wniosek:

Element Peltiera działa zarówno w przód, jak i w tył. Element Seebeck może być używany tylko w kierunku do przodu.

WNIOSEK

Pracując nad badaniem opartym na dostępnych źródłach, zbadano historię i cechy bezpośredniego i odwrotnego efektu Peltiera, a także bezpośredni i odwrotny efekt Seebecka.

Stworzenie wydajnej instalacji umożliwiło jakościowe przeprowadzenie zaplanowanych eksperymentów w celu potwierdzenia postawionej hipotezy.

Badanie ujawniło charakterystyczne cechy efektu Peltiera i efektu Seebecka, gdy są stosowane w kierunku do przodu i do tyłu.

Założenie o braku odwrotnego efektu Seebecka zostało w pełni potwierdzone. Opierając się na tym stwierdzeniu, należy pamiętać, że takie elementy jak elementy Peltiera i Seebecka są wydajniejsze w użyciu zgodnie z ich przeznaczeniem, chociaż istnieje możliwość wykorzystania bezpośredniego efektu Seebecka oraz odwrotnego efektu Peltiera. Jeśli jednak istnieją konstruktywne podobieństwa, to jednak, aby zachować zgodność z technologią, należy pracować z określonym efektem.

Po szczegółowym badaniu efektu Peltiera możemy stwierdzić, że pomimo faktu, iż zastosowanie efektu Peltiera wymaga dodatkowych środków i badań w celu zbadania bezpiecznego i racjonalnego wykorzystania modułów Peltiera jako urządzeń chłodzących, zjawisko to jest niezwykle obiecujące.

WYKAZ UŻYWANEJ LITERATURY

1. Landau L.D., Lifshitz E.M. Fizyka teoretyczna: Proc. dodatek: dla uczelni. W 10. t. T. VIII. Elektrodynamika ośrodków ciągłych. - wyd. 4, stereot.-m.: Fizmatlit, 2000. - 656 s.

2. Narkiewicz I.I. Fizyka: Podręcznik / I.I. Narkiewicz, E.I. Womlianski, S.I. Lobko. - Mińsk: Nowa wiedza, 2004. - 680 pkt.

3. Rowell G., Herbert S. Fizyka / Per. z angielskiego. wyd. W.G. Razumowski. - M.: Oświecenie, 1994. - 576 s.: ch.

4. Sivukhin SD Ogólny kurs fizyki.- M.: Nauka, 1977.- V.3. Elektryczność.- S.490-494.

5. Fizyka: Encyklopedia./ Under. Wyd. Yu.V. Prochorow. - M.: Wielka Encyklopedia Rosyjska, 2003. - 944 s.: il., 2 s. przełęcz.

6. Encyklopedia fizyczna, v. 5. Urządzenia stroboskopowe - jasność / Ch. wyd. JESTEM. Prochorow. Wyd. płk: D.M. Baldin, Wielka rosyjska encyklopedia, 1998. - 760 s.

7. Władimir Lank, Miroslav Vondra. Fizika przeciwko koktajlowi. - Ceska republika: FRAGMENT, 2000r. - 120 s. Podręcznik do szkoły średniej, Słowacja.

8. Tsokos K.A. Fizyka do dyplomu IB. Piąta edycja. - Wielka Brytania: Cambridge University Press, 2004. - 850 s. Podręcznik do programu International Baccalaureate

9. 3strona naukowa. [zasób elektroniczny]// https://www.3bscientific.ru/laboratory-installation-seebeck-effect-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (dostęp 18 lutego 2018)

Załącznik 1. Wyniki eksperymentów

Eksperyment 1. Bezpośredni efekt Seebecka

Czas t, s	Różnica temperatur Δ t, o C	Napięcie U, V

Eksperyment 2. Odwrotny efekt Peltiera

Czas t, s	Temperatura zimnej wody t x, o С	Temperatura ciepłej wody t g, o C	Różnica temperatur Δ t, o C	Napięcie U, V

Eksperyment 3. Odwrotny efekt Seebecka

Czas t, s	Temperatura zimnej wody t x, o С	Temperatura ciepłej wody t g, o C	Różnica temperatur Δ t, o C	Napięcie

Eksperyment 4. Bezpośredni efekt Peltiera

Czas t, s	Temperatura zimnej wody t x, o С	Temperatura ciepłej wody t g, o C	Różnica temperatur Δ t, o C	Napięcie U, V

Załącznik 2. Zdjęcie instalacji

Definicja 1

Opublikowano artykuł o anomaliach temperaturowych obserwowanych na granicach dwóch różnych przewodników, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny Peltier w 1834 r. Sam Peltier nie rozumiał istoty zjawiska, wyjaśnił to Lenz w 1838 r. Lenz przeprowadził następujący eksperyment. We wnęce na styku prętów bizmutu i antymonu umieścił kroplę wody. Gdyby prąd popłynął w jednym kierunku, woda zamarzłaby, gdyby prąd płynął w przeciwnym kierunku, powstały lód stopiłby się. Stwierdzono więc, że przy przejściu przez styk dwóch przewodników prądu elektrycznego, oprócz ciepła Joule'a, dodatkowe ciepło jest uwalniane lub pochłaniane (w zależności od kierunku prądu). To ciepło nazywa się ciepłem Peltiera. Nazywa się proces uwalniania (absorpcji) dodatkowego ciepła w kontakcie dwóch przewodów „Zjawisko Peltiera”. Ciepło Peltiera jest proporcjonalne do pierwszej mocy prądu i zmienia się wraz ze zmianą kierunku prądu. Uzyskano empirycznie, że ciepło Peltiera ($Q_P$) można wyrazić wzorem:

gdzie $q$ to ładunek, $P$ to współczynnik Peltiera, zależny od stykających się materiałów i ich temperatury. $Q_P>0$, jeśli jest przydzielony.

Wyjaśnienie efektu Peltiera w teorii klasycznej

Klasyczna elektroniczna teoria przewodnictwa interpretowała zjawisko Peltiera w następujący sposób: elektrony, które są przenoszone przez prąd z jednego metalu do drugiego, są przyspieszane lub spowalniane pod wpływem wewnętrznej różnicy potencjałów kontaktowych między metalami. W jednym przypadku energia kinetyczna elektronów wzrasta, a następnie jest uwalniana w postaci ciepła. W innym przypadku energia kinetyczna maleje, a spadek ten jest uzupełniany drganiami termicznymi atomów, co powoduje ochłodzenie.

Można by oczekiwać, że współczynnik efektu Peltiera byłby równy różnicy potencjałów stykowych, ale tak nie jest. Zgodnie z teorią klasyczną uważa się, że średnia energia kinetyczna ruchu termicznego elektronów w stykających się metalach jest taka sama, ale tak nie jest. Chodzi o to, że pozycje poziomów Fermiego w różnych metalach są różne. Teoria klasyczna bierze pod uwagę jedynie różnicę w energiach potencjalnych po różnych stronach powierzchni styku metalu, natomiast uważa, że energie kinetyczne elektronów są takie same. Należy jednak wziąć pod uwagę zmianę całkowitej energii elektronu podczas jego przenoszenia z jednego metalu na drugi.

Dla większości par przewodników współczynnik Peltiera ma wartość rzędu $(10)^(-2)-\ (10)^(-3)V$ (wolty).

Efekt Peltiera dla półprzewodników

Efekt Peltiera, podobnie jak wszystkie inne zjawiska termoelektryczne, jest szczególnie wyraźny w obwodach półprzewodników elektronicznych i dziurowych.

Załóżmy, że między półprzewodnikiem otworowym a elektronicznym jest kontakt, a prąd płynie od przewodnika otworowego do elektronicznego. W takim przypadku dziury w półprzewodniku dziurawym i elektrony w półprzewodniku elektronicznym będą się zbliżać do siebie. Elektrony, po przejściu przez interfejs z wolnych stref półprzewodnika elektronicznego, wpadają do wypełnionej strefy półprzewodnika dziurawego i wraz z dziurą anihilują. W wyniku tej rekombinacji uwalniana jest energia, która jest uwalniana w postaci ciepła w kontakcie półprzewodników.

Rozważmy przypadek, w którym prąd płynie z półprzewodnika elektronicznego do półprzewodnika dziurowego. W tym przypadku elektrony w półprzewodniku elektronicznym i dziury w półprzewodniku dziurawym poruszają się w przeciwnych kierunkach. Dziury przemieszczające się z powierzchni półprzewodnika są uzupełniane w wyniku tworzenia się nowych par podczas przejścia elektronów ze strefy wypełnionej półprzewodnika dziurowego do strefy wolnej. Utworzenie takich par wymaga energii, którą zapewniają drgania termiczne atomów sieci. Pod wpływem pola elektrycznego wyłaniające się elektrony i dziury poruszają się w przeciwnych kierunkach. Ciągłe tworzenie nowych par trwa tak długo, jak przez kontakt przepływa prąd. W wyniku tego procesu ciepło jest pochłaniane.

Notatka 1

Zjawisko Peltiera w półprzewodnikach jest wykorzystywane w urządzeniach chłodzących.

Ciepło Joule-Lenza i ciepło Peltiera

Należy zauważyć, że między zjawiskiem Peltiera a wydzielaniem ciepła Dżul - Lenz istnieją znaczne różnice. Ilość ciepła uwalnianego zgodnie z prawem Joule'a-Lenza ($Q\sim I^2$) nie zależy od kierunku prądu. Ciepło uwalniane (lub pochłaniane) w wyniku efektu Peltiera jest proporcjonalne do pierwszej mocy prądu ($Q_P\sim I$) i zmienia znak, gdy zmienia się kierunek prądu. Ponadto ciepło Joule-Lenza zależy od rezystancji przewodnika, ciepło Peltiera nie zależy od niego.

Zazwyczaj ciepło Peltiera jest znacznie mniejsze niż ciepło Joule-Lenza. Aby ujawnić efekt zjawiska Peltiera, konieczne jest maksymalne zredukowanie ciepła Joule-Lenza za pomocą grubych przewodników o minimalnej rezystancji.

Przykład 1

Liczba elektronów (N), które przechodzą przez jednostkę powierzchni prostopadłą do kierunku prądu w 1 $ s $, wynosi:

gdzie $j$ to gęstość prądu, $q_e\ $ to ładunek elektronu.

Energia elektronu jest równa sumie jego energii kinetycznej ($E_k$) i potencjalnych ($E_p=-q_e\varphi $). Jeśli $\left\langle E_k\right\rangle $ oznacza średnią energię dla elektronów N, to strumień energii ($P$) wynosi:

gdzie $\left\langle E_k\right\rangle \ne \frac(3)(2)$ kT-- nie jest równa średniej energii kinetycznej równowagowego gazu elektronowego, co tłumaczy się tym, że w przypadku gaz zdegenerowany, nie wszystkie elektrony mogą być przyspieszane przez pole elektryczne.

Rozważ przewody 1 i 2 w tej samej temperaturze. Energia $P_1$ jest dostarczana do każdej jednostki powierzchni styku w przewodzie 1 w jednostce czasu, a energia równa $P_2$ jest usuwana w przewodzie 2. Potencjalne wartości po obu stronach płaszczyzny styku są równe $(\varphi )_1$ i $(\varphi )_2$. Oraz $(\varphi )_1$ $\ne $ $(\varphi )_2$. Ponadto w ogólnym przypadku mamy to:

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

Aby utrzymać niezmienioną temperaturę kontaktu z każdej jednostki powierzchni w jednostce czasu, konieczne jest usunięcie (lub dostarczenie) energii równej $P_1-P_2.\ $Z wyrażenia (1.3) wynika, że:

Oznacza to, że ciepło Peltiera ($Q_p$) jest uwalniane (lub pochłaniane). W przypadku, gdy $S$ jest obszarem stykających się powierzchni, ciepło Peltiera jest równe:

\W lewo (1,5\w prawo),\]

gdzie $I=jS$ to aktualna siła. Wiemy, że ciepło Peltiera wyraża się jako:

Lub dla naszego przypadku z wyrażenia (1.7) możemy napisać:

Porównajmy wyrażenie (1,7) i wzór (1,5), otrzymujemy wyrażenie na współczynnik Peltiera:

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

Ponieważ interesuje nas ciepło w kontakcie, a nie uwzględniamy ciepła Joule'a-Lenza w objętości, to we wzorze (1.5) należy rozumieć przez $P_1\ i\P_2$ ich wartości w pobliżu płaszczyzny kontaktu samo. Zatem wyrażenie $(\varphi )_1-\ (\varphi )_2=U_(i12)$ jest skokiem potencjału kontaktu.

Jeśli gaz elektronowy w przewodnikach jest niezdegenerowany, to pole przyspiesza wszystkie elektrony. Rozkład pędu jest opisany prawem Maxwella i zależy tylko od temperatury, więc $\left\langle E_(k2)\right\rangle =\left\langle E_(k1)\right\rangle $, a zatem:

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

W tym przypadku współczynnik Peltiera jest równy skokowi potencjału styku, podczas gdy ciepło Peltiera jest równe pracy wykonanej przez prąd w wyniku spadku napięcia.

I właśnie to należało pokazać.

Przykład 2

Zadanie: Jaki jest współczynnik Peltiera w temperaturze T=0 K (przypadek silnie zdegenerowanego gazu elektronowego)?

W stanie silnej degeneracji (T=0 K) wszystkie stany kwantowe w paśmie przewodnictwa o energii mniejszej niż poziom Fermiego są całkowicie zajęte przez elektrony. W tym przypadku tylko elektrony o energiach równych energii Fermiego mogą być przyspieszane przez pole (w pierwszym przybliżeniu energia Fermiego będzie równa potencjałowi chemicznemu $\mu $). Dlatego we wzorze na współczynnik Peltiera, który uzyskaliśmy w poprzednim przykładzie:

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

pod $\left\langle E_(k2)\right\rangle \ and\ \left\langle E_(k1)\right\rangle $ należy zrozumieć maksymalne energie kinetyczne elektronów i przyjąć, że:

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

Z drugiej strony wiemy, że:

Zastępujemy wyrażenia (2.3) i (2.2)

we wzorze (2.1) otrzymujemy:

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

Odpowiedź: dla $T$=0$K$,$P_(12)=0\V.$

Początek XIX wieku. Złoty wiek fizyki i elektrotechniki. W 1834 roku francuski zegarmistrz i przyrodnik Jean-Charles Peltier umieścił kroplę wody między elektrodami bizmutu i antymonu, a następnie przepuścił przez obwód prąd elektryczny. Ku swojemu zdumieniu zobaczył, że kropla nagle zamarzła na stałe.

Znany był termiczny wpływ prądu elektrycznego na przewodniki, ale efekt odwrotny przypominał magię. Można zrozumieć odczucia Peltiera: to zjawisko na styku dwóch różnych dziedzin fizyki - termodynamiki i elektryczności, do dziś wywołuje uczucie cudu.

Problem chłodzenia nie był wtedy tak dotkliwy jak dzisiaj. Dlatego efekt Peltiera został rozwiązany dopiero prawie dwa wieki później, kiedy pojawiły się urządzenia elektroniczne, które do działania wymagały miniaturowych systemów chłodzenia. Godność Elementy chłodzące Peltiera są małe wymiary, brak części ruchomych, możliwość łączenia kaskadowego w celu uzyskania dużych różnic temperatur.

Dodatkowo efekt Peltiera jest odwracalny: przy odwróceniu polaryzacji prądu płynącego przez moduł chłodzenie zostaje zastąpione ogrzewaniem, dzięki czemu można łatwo zaimplementować precyzyjne systemy kontroli temperatury – termostaty. Wadą elementów (modułów) Peltiera jest niska sprawność, która wymaga dostarczenia dużych wartości prądu w celu uzyskania zauważalnej różnicy temperatur. Odprowadzanie ciepła z płyty przeciwległej do chłodzonej płaszczyzny jest również trudne.

Ale najpierw najważniejsze. Na początek spróbujmy rozważyć procesy fizyczne odpowiedzialne za obserwowane zjawisko. Nie zagłębiając się w otchłań matematycznych obliczeń, po prostu spróbujemy zrozumieć naturę tego interesującego zjawiska fizycznego na „palcach”.

Ponieważ mówimy o zjawiskach temperaturowych, fizycy, dla wygody opisu matematycznego, zastępują drgania sieci atomowej materiału pewnym gazem składającym się niejako z cząstek - fononów.

Temperatura gazu fononowego zależy od temperatury otoczenia i właściwości metalu. Wtedy każdy metal jest mieszaniną gazów elektronowych i fononowych, które są w równowadze termodynamicznej.Kiedy dwa różne metale wchodzą w kontakt przy braku pola zewnętrznego, „gorętszy” gaz elektronowy przenika do „zimniejszej” strefy, tworząc znany kontakt potencjalna różnica.

Przy zastosowaniu różnicy potencjałów do przejścia, tj. Kiedy prąd przepływa przez granicę między dwoma metalami, elektrony pobierają energię z fononów jednego metalu i przenoszą ją na gaz fononowy drugiego. Kiedy polaryzacja jest odwrócona, transfer energii, a co za tym idzie ogrzewanie i chłodzenie, zmieniają znak.

W półprzewodnikach za przenoszenie energii odpowiadają elektrony i „dziury”, ale zachowany jest mechanizm przenoszenia ciepła i pojawiania się różnicy temperatur. Różnica temperatur wzrasta, aż do wyczerpania się elektronów o wysokiej energii. Istnieje równowaga temperaturowa. To jest współczesny obraz opisu Efekt Peltiera.

Wynika z tego jasno, że wydajność elementu Peltiera zależy od doboru pary materiałów, natężenia prądu i szybkości odprowadzania ciepła ze strefy gorącej. W przypadku nowoczesnych materiałów (z reguły są to półprzewodniki) sprawność wynosi 5-8%.

A teraz o praktycznym zastosowaniu efektu Peltiera. Aby go zwiększyć, poszczególne termopary (połączenie dwóch różnych materiałów) są łączone w grupy składające się z dziesiątek i setek elementów. Głównym celem takich modułów jest chłodzenie małych obiektów lub mikroukładów.

Termoelektryczny moduł chłodzący

Moduły efektu Peltiera są szeroko stosowane w noktowizorach z matrycą odbiorników podczerwieni. Mikroukłady ze sprzężeniem ładunkowym (CCD), które są obecnie również używane w aparatach cyfrowych, wymagają głębokiego chłodzenia, aby rejestrować obrazy w zakresie podczerwieni. Moduły Peltiera chłodzą detektory podczerwieni w teleskopach, aktywne elementy laserów do stabilizacji częstotliwości promieniowania, w precyzyjnych systemach czasowych. Ale to wszystko są zastosowania wojskowe i specjalne.

Ostatnio moduły Peltiera znalazły zastosowanie w produktach gospodarstwa domowego. Głównie w technice motoryzacyjnej: klimatyzatory, lodówki przenośne, chłodnice wodne.

Przykład praktycznego wykorzystania efektu Peltiera

Najciekawszym i najbardziej obiecującym zastosowaniem modułów jest technika komputerowa. Wysokowydajne procesory mikroprocesorowe i układy kart graficznych generują dużo ciepła. Do ich chłodzenia stosuje się szybkie wentylatory, które wytwarzają znaczny hałas akustyczny. Zastosowanie modułów Peltiera w ramach połączonych systemów chłodzenia eliminuje hałas przy znacznym odbiorze ciepła.

Kompaktowe USB -lodówka wykorzystująca moduły Peltiera

I na koniec logiczne pytanie: czy moduły Peltiera zastąpią zwykłe systemy chłodzenia w domowych lodówkach kompresyjnych? Dziś jest nieopłacalny pod względem wydajności (niska wydajność) i ceny. Koszt potężnych modułów jest wciąż dość wysoki.

Ale technologia i materiałoznawstwo nie stoją w miejscu. Nie można wykluczyć pojawienia się nowych, tańszych materiałów o wysokiej wydajności i wysokich współczynnikach Peltiera. Już dziś pojawiają się doniesienia z laboratoriów badawczych o niesamowitych właściwościach materiałów nanowęglowych, które dzięki wydajnym układom chłodzenia mogą radykalnie zmienić sytuację.

Istnieją doniesienia o wysokiej sprawności termoelektrycznej klastratów - roztworów stałych o budowie zbliżonej do hydratów. Gdy materiały te opuszczą laboratoria badawcze, zupełnie bezgłośne lodówki o nieograniczonej żywotności zastąpią nasze znane modele domowe.

PS Jedna z najciekawszych funkcji technologia termoelektryczna jest to, że może nie tylko używać energia elektryczna otrzymywać ciepło i zimno, ale także dzięki temu można ale zacznij proces odwrotny i np. pozyskaj energię elektryczną z ciepła.

Przykład tego, jak możesz pozyskuj energię elektryczną z ciepła za pomocą modułu termoelektrycznego () Spójrz na to wideo:

Co o tym myślisz? Czekam na Wasze komentarze!

Andriej Powny