Elementy Peltiera. Działanie i zastosowanie. Efekt odwrotny. Czym jest element Peltiera, jego budowa, zasada działania i praktyczne zastosowanie Ciepło Joule'a-Lenza i ciepło Peltiera

EFEKT PELTIERA

EFEKT PELTIERA

Uwolnij lub podgrzej podczas przepływu prądu. prąd I poprzez kontakt dwóch różnych. dyrygenci. Uwalnianie ciepła zostaje zastąpione absorpcją, gdy zmienia się kierunek prądu. Francuski otwarty fizyk J. Peltier w 1834 r. Ilość ciepła Qp=PI, gdzie P jest współczynnikiem Peltiera równym: P=TDa. Tutaj T jest abs. temp-pa, termoelektryczny różnicowy Da. współczynnik dyrygenci.

P. e. tłumaczy się tym, że zob. nośniki prądu zależą od ich energii. widmo, stężenie i mechanizmy ich rozpraszania, a zatem są różne w różnych przewodnikach. Przechodząc z jednego przewodnika do drugiego, elektrony albo przekazują nadmiar energii atomom, albo uzupełniają brak energii swoim kosztem. W pierwszym przypadku Peltier jest uwalniany w pobliżu kontaktu, a w drugim Peltier jest wchłaniany. Podczas przejścia elektronów z półprzewodnika do metalu energia elektronów przewodnictwa PP jest znacznie wyższa niż poziom Fermiego metalu, a elektrony oddają swoją nadmiarową energię. Gdy prąd jest skierowany w przeciwnym kierunku, tylko te elektrony, których energia znajduje się powyżej dna strefy przewodzenia PP, mogą przejść z metalu do PP. Równowaga termiczna w metalu zostaje zakłócona i przywrócona w wyniku drgań termicznych kryształów. kraty. W tym przypadku ciepło Peltiera jest pochłaniane. Podczas kontaktu dwóch PP lub dwóch metali ciepło Peltiera jest również uwalniane (lub pochłaniane) ze względu na fakt, że por. Energia nośników ładunku po obu stronach kontaktu jest różna.

P. e. stosowany do chłodzenia w urządzeniach chłodniczych i niektórych urządzeniach elektronicznych.

Fizyczny słownik encyklopedyczny. - M .: Encyklopedia radziecka. . 1983 .

EFEKT PELTIERA

Uwalnianie lub pochłanianie ciepła na styku dwóch różnych przewodników, w zależności od kierunku prądu. prąd płynący przez styk. Odkryta przez J. Peltiera w 1834. Zdolność wydzielania ciepła Q= P 12 J, Gdzie J- gęstość prądu, P 12 = P 1 - P 2 (P 1, P 2 - bezwzględny współczynnik Peltiera stykających się materiałów, będący charakterystyką tych materiałów). Przyczyna P. e. czy to zob. energia nośników ładunku (dla pewności elektronów) uczestniczących w przewodnictwie elektrycznym, w rozkładzie. przewodników jest inny, ponieważ zależy to od ich energii. widmo, stężenie i mechanizm rozpraszania (patrz. rozpraszanie nośników ładunku). Przechodząc z jednego przewodnika do drugiego, elektrony albo przekazują nadmiar energii do sieci, albo uzupełniają brak energii jej kosztem (w zależności od kierunku prądu). W pierwszym przypadku w pobliżu styku jest on uwalniany, a w drugim pochłaniany jest tzw. Ciepło Peltiera. Na przykład na styku półprzewodnik-metal (ryc.) energia elektronów przechodzi półprzewodnik r-typ w metalu (styk lewy), znacznie przekracza energię Fermiego, dlatego pękają w metalu. Równowaga przywracana jest w wyniku zderzeń, podczas których elektrony ulegają termizacji, oddając nadmiar energii do kryształu. ruszt. Do metalowego półprzewodnika mogą przejść tylko najbardziej energetyczne elektrony (styk prawy), w wyniku czego następuje ochłodzenie gazu elektronowego w metalu. Energia drgań sieci jest zużywana na przywrócenie rozkładu równowagi.

Efekt Peltiera na stykach półprzewodnikowych N- typ - metal; - poziom Fermiego; - dolna część pasma przewodnictwa półprzewodnika: - górna część pasma walencyjnego.

Na styku dwóch półprzewodników lub dwóch metali uwalniane jest (lub pochłaniane) ciepło Peltiera, ponieważ por. energia nośników ładunku uczestniczących w prądzie po obu stronach styku jest różna.
Wyrażenie na abs. współczynnik Peltier P (nośniki ładunku - elektrony) ma postać

Gdzie . - kinetyczny energia i elektrony, F 1 - część nierównowagowa funkcji rozkładu elektronów, - gęstość stanów. Jak widać z (1), współczynnik. P oznacza odchylenie średnie. energia nośników w przepływie energii Fermiego na jednostkę ładunku. Aby wyznaczyć P, trzeba znać funkcję i znaleźć, czyli rozwiązać kinetykę. poziom. W przypadku paraboli prawo dyspersji przewodnictwa elektronowego ( p)(str- quasi-pęd) i zależność średniej drogi swobodnej od prawa potęgowego . na energię przy braku degeneracji współczynnika półprzewodnika. P jest określane przez

Oto parametr rozproszenia, T - abs. temp-pa (patrz Rozpraszanie nośników ładunku w ciele stałym); mierzone od dołu pasma przewodnictwa.
Jak widać z (2), EP ale abs. wartość może osiągnąć dziesiątki kT. Wraz ze wzrostem stężenia elektronów w zdegenerowanym przewodniku lub spadkiem T wartość P maleje wraz z

Współczynnik. Peltier jest powiązany ze współczynnikiem. moc termoelektryczna t. P= T.

Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie wyników mikroskopowych do oceny wyników. teorie dla Coefa. Peltiera, co jest ważną technologią. Charakterystyki materiałów z reguły nie są mierzone, ale obliczane poprzez ich prostszy pomiar.
P. e. stosowany w termoelektryce lodówki i termostaty, a także do sterowania procesem krystalizacji w wyniku uwalniania lub pochłaniania ciepła na granicy fazy ciekłej i stałej podczas przepuszczania prądu. aktualny

Oświetlony.: Anselm A.I., Wprowadzenie do teorii półprzewodników, wyd. 2, M., 1978; Askerov B. M., Zjawiska transferu elektronowego w półprzewodnikach, M., 1985; Seeger K., Fizyka Półprzewodników, 3. M. Daszewski.

Encyklopedia fizyczna. W 5 tomach. - M .: Encyklopedia radziecka. Redaktor naczelny A. M. Prochorow. 1988 .

Zobacz, co oznacza „EFEKT PELTIERA” w innych słownikach:

Uwalnianie lub pochłanianie ciepła, gdy prąd przepływa przez styk (połączenie) dwóch różnych przewodników. Ilość ciepła jest proporcjonalna do natężenia prądu. Stosowany w agregatach chłodniczych. Otwarty w 1834 roku przez J. Peltiera. * * * EFEKT PELTIERA EFEKT PELTIERA… słownik encyklopedyczny

Efekt Peltiera to proces uwalniania lub pochłaniania ciepła, gdy prąd elektryczny przepływa przez kontakt dwóch różnych przewodników. Ilość wytworzonego ciepła i jego znak zależą od rodzaju stykających się substancji, natężenia prądu i czasu przejścia... ... Wikipedia

Uwalnianie lub pochłanianie ciepła, gdy prąd przepływa przez styk (połączenie) dwóch różnych przewodników. Ilość ciepła jest proporcjonalna do natężenia prądu. Stosowany w agregatach chłodniczych. Otwarty w 1834 roku przez J. Pelletiera... Wielki słownik encyklopedyczny

Uwalnianie lub pochłanianie ciepła, gdy prąd elektryczny przepływa przez styk (połączenie) dwóch różnych przewodników. Uwalnianie ciepła zostaje zastąpione absorpcją, gdy zmienia się kierunek prądu. Odkryta przez J. Peltiera w 1834 r. Kwota przeznaczona lub ...

Efekt Peltiera to zjawisko termoelektryczne, w którym ciepło jest uwalniane lub pochłaniane, gdy prąd elektryczny przepływa w punkcie styku (złączu) dwóch różnych przewodników. Ilość wytworzonego ciepła i jego znak zależą od rodzaju... Wikipedia

Efekt Seebecka polega na występowaniu pola elektromagnetycznego w zamkniętym obwodzie elektrycznym składającym się z połączonych szeregowo różnych przewodników, których styki mają różną temperaturę. Efekt Seebecka nazywany jest czasem... ...Wikipedią

Peltier Jean Charles Athanaz (22.2.1785, Am, Somme, ‒ 27.10.1845, Paryż), francuski fizyk i meteorolog. Pracował jako zegarmistrz dla A.L. Breguet. Otrzymawszy spadek (1815) poświęcił się nauce. Prace naukowe dotyczące termoelektryczności,... ... Wielka encyklopedia radziecka

Efekt Thomsona to jedno ze zjawisk termoelektrycznych, które polega na tym, że w jednorodnym, nierównomiernie nagrzanym przewodniku prądem stałym, oprócz ciepła wydzielanego zgodnie z prawem Joule'a Lenza, w objętości... ... Wikipedia

Jean Charles Peltier ks. Jean Charles Peltier Jean Peltier Data urodzenia… Wikipedia

Zjawiska termoelektryczne ... Wikipedia

Moduł Peltiera można wykorzystać w 4 różnych schematach: jako element grzejny (w inkubatorach...), jako element chłodzący (w lodówkach...), do wytwarzania energii elektrycznej (generator...), a także wykorzystując moduł Peltiera element, dzięki któremu możesz wytworzyć wodę. O tym właśnie będzie mój artykuł.

Element Peltiera to przetwornik termoelektryczny, którego zasada działania opiera się na efekcie Peltiera - występowaniu różnicy temperatur podczas przepływu prądu elektrycznego. W literaturze anglojęzycznej elementy Peltiera są oznaczone jako TEC (od angielskiego Thermoelectric Cooler – chłodnica termoelektryczna).

Odwrotny efekt efektu Peltiera nazywany jest efektem Seebecka.

Zasada działania

Działanie elementów Peltiera opiera się na kontakcie dwóch materiałów przewodzących o różnych poziomach energii elektronów w paśmie przewodnictwa. Kiedy prąd przepływa przez kontakt takich materiałów, elektron musi pozyskać energię, aby przejść do wyższego pasma przewodnictwa energii innego półprzewodnika. Po pochłonięciu tej energii punkt styku półprzewodników ochładza się. Kiedy prąd płynie w przeciwnym kierunku, punkt styku między półprzewodnikami nagrzewa się, oprócz zwykłego efektu termicznego.

W przypadku kontaktu metali efekt Peltiera jest na tyle mały, że jest niezauważalny na tle zjawisk nagrzewania omowego i przewodnictwa cieplnego. Dlatego w zastosowaniach praktycznych wykorzystuje się kontakt pomiędzy dwoma półprzewodnikami.

Element Peltiera składa się z jednej lub więcej par małych równoległościanów półprzewodnikowych – jednego typu n i jednego typu p w parze (zwykle tellurek bizmutu, Bi2Te3 i germanek krzemu), które są połączone parami za pomocą metalowych mostków. Zworki metalowe pełnią jednocześnie funkcję styków termicznych i są izolowane nieprzewodzącą folią lub płytą ceramiczną. Pary równoległościanów łączy się w taki sposób, że powstaje połączenie szeregowe wielu par półprzewodników o różnych rodzajach przewodnictwa, tak że u góry występuje jedna sekwencja połączeń (n->p), a u dołu odwrotnie ( p->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, tworząc różnicę temperatur.

Jeśli schłodzisz stronę grzejną elementu Peltiera, na przykład za pomocą grzejnika i wentylatora, wówczas temperatura strony zimnej stanie się jeszcze niższa. W elementach jednostopniowych, w zależności od rodzaju elementu i wartości prądu, różnica temperatur może dochodzić do około 70°C.

Zalety i wady

Zaletą elementu Peltiera są jego niewielkie rozmiary, brak jakichkolwiek ruchomych części, a także gazów i cieczy. Odwracając kierunek prądu, możliwe jest zarówno chłodzenie, jak i ogrzewanie - umożliwia to termostatowanie w temperaturach otoczenia zarówno powyżej, jak i poniżej temperatury termostatu. Kolejną zaletą jest brak części mechanicznych i brak hałasu.

Wadą elementu Peltiera jest jego niższa wydajność w porównaniu do sprężarkowych agregatów chłodniczych wykorzystujących freon, co prowadzi do dużego zużycia energii w celu uzyskania zauważalnej różnicy temperatur. Mimo to trwają prace nad zwiększeniem sprawności cieplnej, a elementy Peltiera znalazły szerokie zastosowanie w technologii, gdyż temperatury poniżej 0°C można osiągnąć bez żadnych dodatkowych urządzeń.

Głównym problemem w konstruowaniu elementów Peltiera o wysokiej wydajności jest to, że wolne elektrony w substancji są jednocześnie nośnikami zarówno prądu elektrycznego, jak i ciepła. Materiał na element Peltiera musi mieć jednocześnie dwie wzajemnie wykluczające się właściwości - dobrze przewodzi prąd elektryczny, ale słabo przewodzi ciepło.

W akumulatorach z ogniwami Peltiera możliwe jest osiągnięcie teoretycznie bardzo dużej różnicy temperatur, przekraczającej 70 stopni Celsjusza, dlatego lepiej jest zastosować metodę pulsacyjnej kontroli temperatury, dzięki której można również zmniejszyć zużycie energii. W takim przypadku pożądane jest wygładzenie tętnień prądu, aby przedłużyć żywotność elementu Peltiera.

Zastosowanie modułu termoelektrycznego: w chłodnicach wodnych, układach chłodzenia komputerów lub mikroukładów różnych urządzeń małogabarytowych, w elektrycznych generatorach ciepła, chłodzeniu kart graficznych, mostkach północnych lub południowych, lodówkach samochodowych, chłodnicach powietrza, Arduino, do chłodzenia matryc CCD i fotodetektorów podczerwieni, w elektryczne generatory ciepła, w termostatach, w przyrządach laboratoryjnych, kalibratorach termicznych, stabilizatorach termicznych. Ogólnie rzecz biorąc, gdy wymagane jest osiągnięcie różnic temperatur większych niż 60 stopni.

Wymiary płytek Peltiera i charakterystyka zużycia

Wymiary płytek Peltiera i charakterystyka zużycia (pobór mocy, napięcie, prąd, maksymalna różnica temperatur). Oznaczenia tych generatorów termoelektrycznych mogą się różnić w różnych lokalizacjach, wszystko zależy od producenta (na przykład: TEG1-241-1.4-1.2; CP1.4-127-06L domowy; TB-127-1.4-1.5 Frost-72 ; SP1848-27145; termogenerator Seebecka TEP1-142T300). Charakterystyka z kolei nie będzie się znacznie różnić, ale niektóre wskaźniki nie różnią się znacząco.

Lodówka USB DIY (moduł Peltiera)

Aby zbudować naszą minilodówkę, musimy znaleźć lub kupić element Peltiera (co to jest i jak działa, przeczytasz poniżej) oraz dwa grzejniki.

Ten sam element Peltiera, wyrwałem go z rozbitego komputera, stał tam pomiędzy procesorem a chłodnicą. Wyczyściłem z niego starą pastę termoprzewodzącą. Krótko mówiąc, ten element Peltiera, gdy jest do niego dostarczany prąd stały, zaczyna działać w następujący sposób: jedna jego strona zaczyna się nagrzewać, a druga zaczyna się ochładzać, jeśli zmienisz polaryzację źródła zasilania, boki elementu będzie zachowywał się odwrotnie!

Następnie wziąłem dwa masywne radiatory ze niepotrzebnego wzmacniacza. Następnie nasmarowałem element nową pastą termoprzewodzącą, którą kupiłem w sklepie radiowym i wcisnąłem element Peltiera pomiędzy grzejniki. Użycie pasty termoprzewodzącej w tym przypadku jest obowiązkowe!
Podłączyłem przewody do elementu z kabla USB i podłączyłem do komputera - jeden radiator zaczął się nagrzewać, a drugi zaczął się ochładzać! Zatem wszystko jest w porządku!

Materiał, którego użyłem do sklejenia lodówki, przypomina sprasowaną piankę lub porowaty plastik. Ogólnie rzecz biorąc, materiał może być dowolny, jego główną jakością jest izolacja termiczna.
Szkło jest organiczne i wygląda na dość delikatne, ale w rzeczywistości materiał jest trwały.
Klej - superklej.

Następnie dla wygody zrobiłam zapięcie magnetyczne.
Okazało się, że jest w porządku – zmieściła się w nim butelka wody mineralnej.

Generator - wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą elementu Peltiera

Zalety tego generatora:

— Paliwem jest wszystko, co się pali lub nagrzewa.
— Wyjście USB 5 V, 500 mA.
— Nie zależy od słońca, wiatru itp.
- Prosta i mocna konstrukcja, która może trwać wiecznie.
— Można na nim gotować jedzenie podczas ładowania telefonu.
- Wszechstronność.
— Każdy może go złożyć w domu w 1 wieczór (nawet pracownik AvtoVAZ =)).
- Tani projekt.

Nie ja to wymyśliłem, są komercyjne kopie, które są znacznie lepsze od moich. Na przykład BioLite CampStove, jego cena wynosi 7900 rubli. Mój egzemplarz powstał w pośpiechu z powodu napisania tego artykułu i dalszych eksperymentów.

Podstawą jest element Peltiera. Jest to moduł termoelektryczny stosowany w chłodnicach wodnych i lodówkach przenośnych, a także służy do chłodzenia procesora. Po przyłożeniu napięcia jedna strona ochładza się, a druga nagrzewa. Wręcz przeciwnie, będziemy ogrzewać jedną stronę, aby wytworzyć prąd.

Główną zasadą jest to, że jedna strona nagrzewa się, a druga pozostaje niezmieniona, dla maksymalnej wydajności potrzebna jest różnica temperatur wynosząca 100 stopni Celsjusza.

Zacznijmy!


Będziemy potrzebować:
— Element Peltiera, użyłem TEC1-12710
- Niepotrzebne zasilanie z komputera
Każdy, nawet ten, który się spalił i wszystko się spaliło oprócz ciała
- Regulator napięcia
Moduł wzmacniający DC-DC, napięcie wejściowe 1-5 V, wyjście zawsze 5 V.
— Chłodnica (im większa tym lepsza), najlepiej z chłodnicą 5V, bo Grzejnik będzie się stopniowo nagrzewał. Zimą nie stanowi to problemu, ponieważ grzejnik można postawić na lodzie.
— Pasta termoprzewodząca
- Zestaw narzędzi

Moduł TEC1-12710 o obciążalności 10 A (mniej lub więcej). Ale te potężniejsze będą większe. Im wyższy prąd, tym jest on wydajniejszy i droższy. Kupiłem go na Aliexpress za około 250 rubli. W naszych sklepach z elektroniką kosztuje to około 1500 rubli.

Moduł jest zaprojektowany na maksymalne napięcie 12 V, ale nie generuje tak dużej mocy ze względu na niską wydajność, gdy używamy go w przeciwnym kierunku, tj. aby otrzymać prąd.

Aby zapewnić stabilne 5 woltów i bezpieczne ładowanie urządzeń, potrzebny jest stabilizator podwyższający. Zaczyna wytwarzać 5 woltów, gdy na elemencie Peltiera jest jeszcze tylko 1 wolt. O tym, że wszystko jest gotowe do ładowania, informuje świecąca dioda LED na module.


Można samemu złożyć, ale ja zdecydowałem się zaufać Chińczykom, oferują gotowy moduł z wyjściem USB za 80 rubli. w tym samym miejscu.

Wypatroszmy nasz zasilacz. Musiałem zrobić dodatkowe otwory dla lepszej cyrkulacji powietrza (zasilacz był bardzo stary).

Główną zasadą jest to, że powietrze jest zasysane od dołu i wychodzi górą. Mówiąc najprościej, musisz zrobić zwykły piec. Nie zapomnij o zapewnieniu otworu do wrzucania zrębków oraz stojaka na garnek lub kubek do zagotowania wody, jeśli tego potrzebujesz.


Następnie należy przymocować moduł Peltiera z grzejnikiem do płaskiej ściany, po uprzednim równomiernym nałożeniu pasty termoprzewodzącej. Im mocniejszy kontakt, tym lepiej. Strona, na której jest napisany model, jest zimna, to po tej stronie przykładamy grzejnik. Jeśli pomylisz, moduł nie będzie generował napięcia; w tym przypadku wystarczy zamienić przewody.


Lutujemy konwerter podwyższający i szukamy, gdzie go ukryć. Generalnie można go zostawić wiszącego na przewodach, ale zdecydowanie trzeba go zaizolować, np. nałożyć koszulkę termokurczliwą.

Połączmy wszystko razem. Oto, co powinieneś otrzymać:

Jak to działa?

Wrzucamy gałęzie, zrębki, ogólnie wszystko, co pali się w środku. Następnie zapalamy. Ogień ogrzewa ściany pieca oraz element Peltiera, który znajduje się na jednej z tych ścian. Druga strona elementu, która znajduje się na grzejniku, pozostaje w temperaturze zewnętrznej. Im większa różnica temperatur, tym większa moc, ale nie przesadzaj.

Maksymalną wydajność osiąga się już przy różnicy 100 stopni. Z czasem grzejnik zaczyna się nagrzewać i należy go schłodzić. Można rzucić śniegiem, zalać go wodą, postawić grzejnik na lodzie lub w wodzie, albo postawić na nim kubek z zimną wodą. Opcji jest wiele, najprostsza to chłodnica, zabierze część mocy, ale dzięki chłodzeniu ogólny wynik się nie zmieni.


NIE wystawiaj elementu na działanie wysokich temperatur, może się on przepalić i wypalić. Dokumentacja wskazuje maksymalną temperaturę na 180°C, ale nie ma się czym zbytnio przejmować, przy dobrym chłodzeniu i zwykłym drewnie opałowym nic się z nią nie stanie.

Jeśli nie jesteś leniwy i robisz wszystko dobrze, otrzymasz taki prosty rębak do drewna, na którym możesz jednocześnie podgrzewać jedzenie, gotować, podlewać i ładować swoje gadżety.

Można go używać w domu w przypadku przerwy w dostawie prądu, umieszczając w środku świecę. Nawiasem mówiąc, jeśli podłączysz do niego diody LED, światło będzie znacznie jaśniejsze niż z samej świecy.

W każdym miejscu, w którym znajdziesz coś płonącego, będziesz miał prąd, ciepło i możliwość wygodnego gotowania jedzenia, zużywając mniej paliwa w porównaniu do ognia.

Pierwsze testy!

Po pracy poszłam do lasu, słońce już prawie zaszło, zarośla były mokre, ale piec opłacił się w 100%.

Wynik przekroczył wszelkie moje oczekiwania. Zaraz po spaleniu zrębków zaświeciła się kontrolka, podłączyłem telefon i zaczął się ładować. Ładowanie było stabilne.

Konwerter w ogóle nie obciążał. Wziąłem ze sobą również podkładkę chłodzącą do laptopa, ma 2 chłodnice i diody, powinna zużyć przyzwoitą ilość. Podłączyłem, wszystko się kręci, świeci i wieje wiatr. Wziąłem też wentylator na USB i podłączyłem go na końcu, gdy zostały już tylko węgle. Wszystko kręci się świetnie, nawet nie wiem, czego jeszcze spróbować.

Wynik:

Wszystko działa świetnie, podaje swoją płeć Ampere. Mimo to potrzebujesz chłodnicy, ponieważ... za pół godziny grzejnik nagrzeje się do około 40 stopni, latem będzie jeszcze więcej. Pozwól sobie się kręcić.

Płomienie strzelają wysoko, mi osobiście taki ogień nie jest potrzebny, zasłaniam niektóre dziury, żeby palił się wolniej.

Zrobię wszystko nowe, za podstawę wezmę standardowy rębak do drewna wykonany z puszek, ale zrobię go z grubszego metalu i prostokątnego kształtu. Kupię dobry grzejnik z chłodnicą o odpowiednim kształcie i spróbuję zrobić wersję składaną, aby zajmowała mniej miejsca podczas przenoszenia.

Produkcja wody pitnej za pomocą modułu Peltiera

Odkryty w 1834 roku przez J. Peltiera, który odkrył, że gdy prąd przepływa przez złącze dwóch różnych przewodników, zmienia się temperatura złącza. W 1838 roku E. H. Lenz wykazał, że przy dostatecznie silnym prądzie można zamrozić lub zagotować kroplę wody przyłożoną do złącza, zmieniając kierunek prądu.

Istota efektu Peltiera polega na tym, że gdy prąd elektryczny przepływa przez styk dwóch metali lub półprzewodników w obszarze ich styku, oprócz zwykłego ciepła Joule'a, uwalniana lub pochłaniana jest dodatkowa ilość ciepła, zwana Peltierem ciepło Pytanie str. W przeciwieństwie do ciepła Joule'a, które jest proporcjonalne do kwadratu prądu, wielkość Pytanie str proporcjonalna do pierwszej potęgi prądu.

Q p = P. I. T.

T- aktualny czas przejazdu,

I- aktualna siła.

P- Współczynnik Peltiera, współczynnik proporcjonalności, w zależności od rodzaju materiałów tworzących styk. Koncepcje teoretyczne umożliwiają wyrażenie współczynnika Peltiera poprzez mikroskopijną charakterystykę elektronów przewodzących.

Współczynnik Peltiera P = T D A, Gdzie T- temperatura bezwzględna i 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 metali lub półprzewodników na granicy powstaje wewnętrzna różnica potencjałów kontaktowych. Prowadzi to do tego, że energia potencjalna nośników po obu stronach styku staje się różna, ponieważ średnia energia nośników prądu zależy od ich widma energii, koncentracji i mechanizmów ich rozpraszania i jest różna w różnych przewodnikach. Ponieważ średnia energia elektronów biorących udział w przenoszeniu prądu jest różna w różnych przewodnikach, w procesie zderzeń z jonami sieci nośniki oddają sieci nadmiar energii kinetycznej i wydziela się ciepło. Jeżeli podczas przejścia przez kontakt energia potencjalna nośników maleje, wówczas ich energia kinetyczna wzrasta, a elektrony zderzając się z jonami sieciowymi, zwiększają swoją energię do średniej wartości, podczas gdy ciepło Peltiera jest pochłaniane. Zatem, gdy elektrony przechodzą przez kontakt, albo przekazują nadmiar energii atomom, albo uzupełniają ją na ich koszt.

Podczas przejścia elektronów z półprzewodnika do metalu energia elektronów przewodnictwa półprzewodnika jest znacznie wyższa niż poziom Fermiego (patrz energia Fermiego) metalu, a elektrony oddają swoją nadwyżkę energii. Efekt Peltiera jest szczególnie silny w półprzewodnikach, które wykorzystuje się do tworzenia urządzeń półprzewodnikowych chłodzących i grzewczych, w tym do tworzenia mikrolodówek w urządzeniach chłodniczych.

Sprzęt chłodniczy na stałe zagościł w naszym życiu, że nawet trudno sobie wyobrazić, jak moglibyśmy bez niego żyć. Jednak klasyczne konstrukcje na czynnik chłodniczy nie nadają się do użytku mobilnego, na przykład jako podróżna torba termoizolacyjna.

W tym celu stosuje się instalacje, w których zasada działania opiera się na efekcie Peltiera. Porozmawiajmy krótko o tym zjawisku.

Co to jest?

Termin ten odnosi się do zjawiska termoelektrycznego odkrytego w 1834 roku przez francuskiego przyrodnika Jean-Charlesa Peltiera. Istotą tego efektu jest wydzielanie lub pochłanianie ciepła w obszarze styku różnych przewodników, przez które przepływa prąd elektryczny.

Zgodnie z teorią klasyczną, zjawisko to można wytłumaczyć następująco: prąd elektryczny przenosi elektrony pomiędzy metalami, co może przyspieszać lub spowalniać ich ruch w zależności od różnicy potencjałów stykowych w przewodnikach wykonanych z różnych materiałów. Odpowiednio, wraz ze wzrostem energii kinetycznej, zamienia się ona w energię cieplną.

Na drugim przewodniku obserwuje się proces odwrotny, wymagający uzupełnienia energii, zgodnie z podstawowymi prawami fizyki. Dzieje się tak na skutek drgań termicznych, które powodują ochłodzenie metalu, z którego wykonany jest drugi przewodnik.

Nowoczesne technologie umożliwiają produkcję elementów półprzewodnikowych-modułów o maksymalnym efekcie termoelektrycznym. Warto krótko porozmawiać o ich projekcie.

Konstrukcja i zasada działania

Nowoczesne moduły to konstrukcja składająca się z dwóch płyt izolacyjnych (najczęściej ceramicznych), pomiędzy którymi umieszczone są szeregowo połączone termopary. Uproszczony schemat takiego elementu można zobaczyć na poniższym rysunku.

Oznaczenia:

• A – styki do podłączenia do źródła zasilania;
• B – gorąca powierzchnia elementu;
• C – strona zimna;
• D – przewody miedziane;
• E – półprzewodnik oparty na złączu p;
• F – półprzewodnik typu n.

Konstrukcja została wykonana w taki sposób, że każda strona modułu styka się ze złączami p-n lub n-p (w zależności od polaryzacji). Styki p-n są podgrzewane, styki n-p są chłodzone (patrz rys. 3). W związku z tym po bokach elementu występuje różnica temperatur (DT). Dla obserwatora efekt ten będzie wyglądał jak transfer energii cieplnej pomiędzy bokami modułu. Warto zauważyć, że zmiana polaryzacji zasilania prowadzi do zmiany gorących i zimnych powierzchni.

Dane techniczne

Charakterystykę modułów termoelektrycznych opisują następujące parametry:

• wydajność chłodnicza (Q max), tę charakterystykę określa się na podstawie maksymalnego dopuszczalnego prądu i różnicy temperatur pomiędzy bokami modułu, mierzonej w watach;
• maksymalna różnica temperatur pomiędzy bokami elementu (DT max), parametr podany jest dla warunków idealnych, jednostką miary są stopnie;
• dopuszczalny prąd wymagany do zapewnienia maksymalnej różnicy temperatur – I max;
• maksymalne napięcie Umax wymagane, aby prąd Imax osiągnął różnicę szczytową DTmax;
• rezystancja wewnętrzna modułu – Rezystancja wyrażana w omach;
• współczynnik wydajności - COP (skrót od angielskiego - współczynnik wydajności), w skrócie jest to wydajność urządzenia, pokazująca stosunek chłodzenia do zużycia energii. Dla niedrogich elementów parametr ten mieści się w przedziale 0,3-0,35, dla droższych modeli zbliża się do 0,5.

Cechowanie

Przyjrzyjmy się, jak rozszyfrowane są typowe oznaczenia modułów na przykładzie rysunku 4.

Oznakowanie dzieli się na trzy znaczące grupy:

1. Oznaczenie elementu. Pierwsze dwie litery pozostają zawsze niezmienione (TE), co oznacza, że ​​jest to termoelement. Następny wskazuje rozmiar, mogą znajdować się litery „C” (standardowy) i „S” (mały). Ostatnia liczba wskazuje, ile warstw (kaskad) znajduje się w elemencie.
2. Liczba termopar w module pokazanym na zdjęciu wynosi 127.
3. Prąd znamionowy jest w amperach, dla nas jest to 6 A.

W ten sam sposób odczytuje się oznaczenia pozostałych modeli serii TEC1, np.: 12703, 12705, 12710 itd.

Aplikacja

Pomimo dość niskiej wydajności elementy termoelektryczne są szeroko stosowane w urządzeniach pomiarowych, komputerowych i gospodarstwa domowego. Moduły są ważnym elementem wykonawczym następujących urządzeń:

• mobilne agregaty chłodnicze;
• małe generatory do wytwarzania energii elektrycznej;
• systemy chłodzenia w komputerach osobistych;
• Chłodnice do chłodzenia i podgrzewania wody;
• osuszacze itp.

Podajmy szczegółowe przykłady zastosowania modułów termoelektrycznych.

Lodówka wykorzystująca elementy Peltiera

Termoelektryczne urządzenia chłodnicze mają znacznie gorszą wydajność niż analogi sprężarkowe i absorpcyjne. Mają jednak znaczące zalety, co sprawia, że ​​​​ich stosowanie jest wskazane w pewnych warunkach. Te zalety obejmują:

• prostota projektu;
• odporność na wibracje;
• brak ruchomych elementów (z wyjątkiem wentylatora nadmuchującego chłodnicę);
• niski poziom hałasu;
• małe wymiary;
• możliwość pracy na dowolnym stanowisku;
• długa żywotność;
• niskie zużycie energii.

Te cechy są idealne do instalacji mobilnych.

Element Peltiera jako generator prądu

Moduły termoelektryczne mogą pracować jako generatory prądu, jeśli jedna z ich stron zostanie poddana wymuszonemu nagrzewaniu. Im większa różnica temperatur pomiędzy bokami, tym większy prąd generowany przez źródło. Niestety maksymalna temperatura generatora ciepła jest ograniczona i nie może być wyższa niż temperatura topnienia lutu zastosowanego w module. Naruszenie tego warunku doprowadzi do awarii elementu.

Do masowej produkcji generatorów ciepła stosuje się specjalne moduły z lutem ogniotrwałym, które można nagrzać do temperatury 300°C. W zwykłych elementach, na przykład TEC1 12715, granica wynosi 150 stopni.

Ponieważ wydajność takich urządzeń jest niska, stosuje się je tylko w przypadkach, gdy nie jest możliwe wykorzystanie bardziej wydajnego źródła energii elektrycznej. Jednak generatory ciepła o mocy 5-10 W są poszukiwane wśród turystów, geologów i mieszkańców odległych obszarów. Duże i mocne instalacje stacjonarne zasilane paliwem wysokotemperaturowym służą do zasilania jednostek dystrybucji gazu, urządzeń stacji meteorologicznych itp.

Do chłodzenia procesora

Stosunkowo niedawno moduły te zaczęto stosować w układach chłodzenia procesorów komputerów osobistych. Biorąc pod uwagę niską wydajność termoelementów, zalety takich konstrukcji są raczej wątpliwe. Na przykład, aby schłodzić źródło ciepła o mocy 100–170 W (odpowiadające większości nowoczesnych modeli procesorów), trzeba będzie wydać 400–680 W, co wymaga zainstalowania mocnego zasilacza.

Drugą pułapką jest to, że nieobciążony procesor wydzieli mniej energii cieplnej, a moduł może go schłodzić poniżej punktu rosy. W rezultacie zacznie się tworzyć kondensacja, która z pewnością uszkodzi elektronikę.

Ci, którzy zdecydują się na samodzielne stworzenie takiego układu, będą musieli przeprowadzić szereg obliczeń, aby dobrać moc modułu do konkretnego modelu procesora.

W związku z powyższym używanie tych modułów jako układu chłodzenia procesora jest nieopłacalne; ponadto mogą powodować awarie sprzętu komputerowego.

Zupełnie inaczej sytuacja wygląda w przypadku urządzeń hybrydowych, gdzie moduły termiczne wykorzystuje się w połączeniu z chłodzeniem wodnym lub powietrznym.

Hybrydowe systemy chłodzenia udowodniły swoją skuteczność, jednak wysoki koszt ogranicza krąg ich wielbicieli.

Klimatyzator oparty na elementach Peltiera

Teoretycznie takie urządzenie będzie konstrukcyjnie znacznie prostsze niż klasyczne systemy klimatyzacji, ale wszystko sprowadza się do niskiej wydajności. Co innego schłodzić niewielką objętość lodówki, a co innego schłodzić pomieszczenie lub wnętrze samochodu. Klimatyzatory wykorzystujące moduły termoelektryczne będą zużywać więcej energii elektrycznej (3-4 razy) niż urządzenia zasilane czynnikiem chłodniczym.

Jeśli chodzi o wykorzystanie go jako systemu klimatyzacji samochodowej, moc standardowego generatora nie będzie wystarczająca do obsługi takiego urządzenia. Zastąpienie go bardziej wydajnym sprzętem będzie prowadzić do znacznego zużycia paliwa, co nie jest opłacalne.

Na forach tematycznych okresowo pojawiają się dyskusje na ten temat i rozważane są różne domowe projekty, ale nie powstał jeszcze pełnoprawny działający prototyp (nie licząc klimatyzatora dla chomika). Całkiem możliwe, że sytuacja ulegnie zmianie, gdy moduły o bardziej akceptowalnej wydajności staną się powszechnie dostępne.

Do chłodzenia wody

Element termoelektryczny jest często stosowany jako chłodziwo w chłodnicach wodnych. Projekt obejmuje: moduł chłodzący, sterownik sterowany termostatem oraz grzałkę. Ta realizacja jest znacznie prostsza i tańsza niż obwód sprężarki, a ponadto jest bardziej niezawodna i łatwiejsza w obsłudze. Ale są też pewne wady:

• woda nie schładza się poniżej 10-12°C;
• chłodzenie trwa dłużej niż jego odpowiednik kompresorowy, dlatego taka chłodnica nie nadaje się do biura z dużą liczbą pracowników;
• urządzenie jest wrażliwe na temperaturę zewnętrzną; w ciepłym pomieszczeniu woda nie ostygnie do temperatury minimalnej;
• Nie zaleca się montażu w zakurzonych pomieszczeniach, gdyż może to spowodować zatkanie wentylatora i awarię modułu chłodzącego.

Osuszacz powietrza oparty na elementach Peltiera

W przeciwieństwie do klimatyzatora, wdrożenie osuszacza za pomocą elementów termoelektrycznych jest całkiem możliwe. Projekt jest dość prosty i niedrogi. Moduł chłodzący obniża temperaturę grzejnika poniżej punktu rosy, w efekcie czego osadza się na nim wilgoć zawarta w powietrzu przepływającym przez urządzenie. Osadzona woda jest odprowadzana do specjalnego zbiornika magazynowego.

Pomimo niskiej wydajności, w tym przypadku wydajność urządzenia jest całkiem zadowalająca.

Jak się połączyć?

Nie będzie problemów z podłączeniem modułu, do przewodów wyjściowych należy przyłożyć stałe napięcie, jego wartość jest podana w arkuszu danych elementu. Czerwony przewód musi być podłączony do dodatniego, czarny przewód do ujemnego. Uwaga! Odwrócenie polaryzacji powoduje odwrócenie położenia chłodzonych i nagrzanych powierzchni.

Jak sprawdzić działanie elementu Peltiera?

Najprostszą i najbardziej niezawodną metodą jest dotyk. Należy podłączyć moduł do odpowiedniego źródła napięcia i dotknąć jego różnych stron. W przypadku elementu roboczego jeden z nich będzie cieplejszy, drugi zimniejszy.

Jeśli nie masz pod ręką odpowiedniego źródła, będziesz potrzebować multimetru i zapalniczki. Proces weryfikacji jest dość prosty:

1. podłączyć sondy do zacisków modułu;
2. przesuń zapaloną zapalniczkę na jeden z boków;
3. Obserwujemy odczyty urządzenia.

W module roboczym po nagrzaniu jednej ze stron powstaje prąd elektryczny, który zostanie wyświetlony na wyświetlaczu urządzenia.

Jak zrobić element Peltiera własnymi rękami?

Wykonanie modułu w domu w domu jest prawie niemożliwe, zwłaszcza że nie ma to sensu, biorąc pod uwagę ich stosunkowo niski koszt (około 4-10 dolarów). Można jednak złożyć urządzenie, które przyda się na wędrówce, np. generator termoelektryczny.

Aby ustabilizować napięcie, należy zamontować prosty konwerter na chipie L6920.

Na wejście takiego konwertera podawane jest napięcie z zakresu 0,8-5,5 V, na wyjściu wytworzy ono stabilne 5 V, które wystarczy do naładowania większości urządzeń mobilnych. W przypadku zastosowania konwencjonalnego elementu Peltiera konieczne jest ograniczenie zakresu temperatur pracy strony podgrzewanej do 150°C. Aby uniknąć kłopotów ze śledzeniem, lepiej jest użyć garnka z wrzącą wodą jako źródła ciepła. W takim przypadku gwarantuje się, że element nie nagrzeje się powyżej 100°C.

Wyzwolenie lub absorpcja (w zależności od kierunku prądu) ciepła na styku dwóch różnych półprzewodników lub metalu i półprzewodnika

Animacja

Opis

Efekt Peltiera jest zjawiskiem termoelektrycznym, przeciwieństwem efektu Seebecka: gdy prąd elektryczny I przepływa przez styk (złącze) dwóch różnych substancji (przewodników lub półprzewodników) na styku, oprócz ciepła Joule'a, dodatkowe ciepło Peltiera Q P jest uwalniane w jednym kierunku prądu i pochłaniane w przeciwnym kierunku.

Ilość wytworzonego ciepła Q P i jego znak zależą od rodzaju stykających się substancji, siły prądu i czasu jego przepływu:

dQ P = p 12 H. I H. dt.

Tutaj p 12 = p 1 -p 2 jest współczynnikiem Peltiera dla danego styku, powiązanym z bezwzględnymi współczynnikami Peltiera p 1 i p 2 stykających się materiałów. W tym przypadku zakłada się, że prąd przepływa od pierwszej próbki do drugiej. Po uwolnieniu ciepła Peltiera mamy: Q P > 0, p 12 > 0, p 1 > p 2 . Pochłonięcie ciepła Peltiera uważa się za ujemne i odpowiednio: Q P<0,p 12 <0, p 1

Zamiast ciepła Peltiera często używa się wielkości fizycznej, definiowanej jako energia cieplna uwalniana co sekundę na styku o jednostkowej powierzchni. Wielkość tę, zwaną mocą wydzielania ciepła, określa się ze wzoru:

q P = p 12 H. jot,

gdzie j=I/S - gęstość prądu;

S - powierzchnia kontaktu;

wymiar tej wielkości wynosi SI = W/m2.

Z praw termodynamiki wynika, że ​​współczynnik Peltiera i współczynnik termomocy a są powiązane zależnością:

p = a· T,

gdzie T jest bezwzględną temperaturą kontaktową.

Współczynnik Peltiera, który jest ważną cechą techniczną materiałów, z reguły nie jest mierzony, ale obliczany za pomocą współczynnika termomocy, którego pomiar jest prostszy.

Na ryc. 1 i rys. Rysunek 2 przedstawia obwód zamknięty składający się z dwóch różnych półprzewodników PP1 i PP2 ze stykami A i B.

Wydzielanie ciepła Peltiera (pin A)

Ryż. 1

Absorpcja ciepła Peltiera (pin A)

Ryż. 2

Taki obwód nazywa się zwykle termoelementem, a jego gałęzie nazywane są termoelektrodami. Przez obwód przepływa prąd I wytworzony przez zewnętrzne źródło e. Ryż. Rysunek 1 przedstawia sytuację, gdy na styku A (prąd płynie z PP1 do PP2) uwalniane jest ciepło Peltiera Q P (A) > 0, a na styku B (prąd kierowany jest z PP2 do PP1) jego absorpcja wynosi Q P (B)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >TELEWIZJA .

Na ryc. 2 zmiana znaku źródła powoduje zmianę kierunku prądu na przeciwny: z PP2 na PP1 na styku A i z PP1 na PP2 na styku B. W związku z tym zmienia się znak ciepła Peltiera i zależność między temperaturami kontaktowymi: Q P (A)<0, Q P (В)>0, TA<Т В .

Powód wystąpienia efektu Peltiera na styku półprzewodników z tego samego typu nośnikami prądu (dwa półprzewodniki typu n lub dwa półprzewodniki typu p) jest taki sam, jak w przypadku styku dwóch metalowych przewodników. Nośniki prądu (elektrony lub dziury) po różnych stronach złącza mają różne średnie energie, które zależą od wielu powodów: widma energii, stężenia, mechanizmu rozpraszania nośników ładunku. Jeśli nośniki po przejściu przez złącze wejdą do obszaru o niższej energii, przekazują nadmiar energii do sieci krystalicznej, w wyniku czego w pobliżu styku wydziela się ciepło Peltiera (Q P > 0) i wzrasta temperatura styku. W tym przypadku na drugim skrzyżowaniu nośniki przemieszczające się do obszaru o wyższej energii pożyczają brakującą energię z sieci, a ciepło Peltiera jest pochłaniane (Q P<0 ) и понижение температуры.

Efekt Peltiera, jak wszystkie zjawiska termoelektryczne, jest szczególnie wyraźny w obwodach złożonych z półprzewodników elektronicznych (typ n) i dziurowych (typ p). W tym przypadku efekt Peltiera ma inne wyjaśnienie. Rozważmy sytuację, gdy prąd w styku przechodzi z półprzewodnika dziurkowego do elektronicznego (р ® n). W tym przypadku elektrony i dziury zbliżają się do siebie i po spotkaniu łączą się ponownie. W wyniku rekombinacji uwalniana jest energia, która jest uwalniana w postaci ciepła. Sytuację tę pokazano na ryc. 3, na którym przedstawiono pasma energii (e c – pasmo przewodnictwa, e v – pasmo walencyjne) dla półprzewodników domieszkowych z przewodnictwem dziurowym i elektronowym.

Wydzielanie ciepła Peltiera na styku półprzewodników typu p i n

Ryż. 3

Na ryc. 4 (e c – pasmo przewodnictwa, e v – pasmo walencyjne) ilustruje absorpcję ciepła Peltiera dla przypadku, gdy prąd przechodzi od n do p – półprzewodnik (n ® p).

Absorpcja ciepła Peltiera na styku półprzewodników typu p i n

Ryż. 4

Tutaj elektrony w półprzewodniku elektronicznym i dziury w półprzewodniku dziurowym poruszają się w przeciwnych kierunkach, oddalając się od interfejsu. Utratę nośników prądu w obszarze granicznym kompensuje parami wytwarzanie elektronów i dziur. Tworzenie takich par wymaga energii, która jest dostarczana przez drgania termiczne atomów sieci. Powstałe elektrony i dziury są przyciągane przez pole elektryczne w przeciwnych kierunkach. Dlatego dopóki prąd przepływa przez styk, stale rodzą się nowe pary. W rezultacie ciepło zostanie pochłonięte w kontakcie.

Aby efekt Peltiera był zauważalny na tle ogólnego nagrzewania związanego z wydzielaniem ciepła Joule'a-Lenza, musi być spełniony warunek: S Q P Si Q J . . W rezultacie uzyskuje się następujące zależności, które należy wziąć pod uwagę podczas przeprowadzania eksperymentów:

.

gdzie R jest oporem odcinka termoelektrody o długości l, przy którym uwalniane jest ciepło;

r - oporność elektryczna.

Współczynnik Peltiera, który określa ilość ciepła Peltiera wydzielanego na styku, zależy od rodzaju stykających się substancji i temperatury kontaktu: p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T , gdzie a 1 a 2 to bezwzględne współczynniki termomocy stykających się substancji. Jeśli dla większości par metali współczynnik termomocy jest rzędu 10-5 x 10-4 V/K, to dla półprzewodników może być znacznie wyższy (aż do 1,5 x 10-3 V/K). W przypadku półprzewodników o różnych rodzajach przewodnictwa a ma różne znaki, w wyniku czego Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.

Należy zauważyć, że współczynnik termomocy zależy w sposób złożony od składu i temperatury półprzewodnika, podczas gdy w porównaniu z metalami zależność temperaturowa a dla półprzewodników jest znacznie bardziej wyraźna. Znak a jest określony przez znak nośników ładunku. Nie ma ogólnych empirycznych, a tym bardziej teoretycznych, wzorów, które obejmowałyby właściwości termoelektryczne półprzewodników w szerokim zakresie temperatur. Zwykle siła termoelektromotoryczna a półprzewodnika, zaczynając od wartości a = 0 przy T = 0, najpierw rośnie proporcjonalnie do T, potem wolniej, często pozostaje stała w pewnym zakresie temperatur i w obszarze wysokich temperatur ( powyżej 500 Kyo 700 K) zaczyna maleć zgodnie z prawem a~ 1/T.

Kolejną charakterystyczną cechą półprzewodników jest decydująca rola zanieczyszczeń, których wprowadzenie umożliwia nie tylko wielokrotną zmianę wartości, ale także zmianę znaku a.

W półprzewodnikach o przewodności mieszanej wkłady dziur i elektronów do mocy termoelektrycznej są przeciwne, co prowadzi do małych wartości a i p.

W szczególnym przypadku, gdy stężenia (n) i ruchliwość (u) elektronów i dziur są równe (ne = np i ue = up), wartości a i p stają się zerowe:

a~ (ne ue - np w górę) / (ne ue + np w górę).

Efekt Peltiera, podobnie jak inne zjawiska termoelektryczne, ma charakter fenomenologiczny.

Efekt Peltiera w półprzewodnikach wykorzystuje się do chłodzenia i ogrzewania termoelektrycznego, co ma praktyczne zastosowanie w urządzeniach do kontroli temperatury i chłodnictwie.

Zjawisko Peltiera odkrył J. Peltier w 1834 roku.

Charakterystyka czasowa

Czas inicjacji (log do -3 do 2);

Czas życia (log tc od 15 do 15);

Czas degradacji (log td od -3 do 2);

Czas optymalnego rozwoju (log tk od -2 do 3).

Diagram:

Techniczne wdrożenia efektu

Techniczna implementacja efektu Peltiera w półprzewodnikach

Główną jednostką technologiczną wszystkich termoelektrycznych urządzeń chłodniczych jest bateria termoelektryczna zbudowana z połączonych szeregowo termoelementów. Ponieważ przewodniki metalowe mają słabe właściwości termoelektryczne, termoelementy są wykonane z półprzewodników, a jedna z gałęzi termoelementu powinna składać się z czysto dziurowego półprzewodnika (typu p), a druga z półprzewodnika czysto elektronicznego (typu n). Jeśli wybierzesz kierunek prądu (ryc. 5), w którym ciepło Peltiera będzie pochłaniane na stykach znajdujących się wewnątrz lodówki i uwalniane do otaczającej przestrzeni na stykach zewnętrznych, wówczas temperatura wewnątrz lodówki spadnie, a przestrzeń na zewnątrz lodówki nagrzeje się (co zdarza się w przypadku każdej konstrukcji lodówki).

Schemat ideowy lodówki termoelektrycznej

Ryż. 5

Główną cechą termoelektrycznego urządzenia chłodzącego jest jego wydajność chłodzenia:

Z= a 2 /(rl) ,

gdzie a jest współczynnikiem termomocy;

r - rezystywność;

l jest przewodnością cieplną półprzewodnika.

Parametr Z jest funkcją temperatury i stężenia nośników ładunku i dla każdej zadanej temperatury istnieje optymalna wartość stężenia, przy której wartość Z jest maksymalna. Maksymalna redukcja temperatury jest powiązana z wartością sprawności za pomocą wyrażenia:

D T max = (1/2) Х Z Х T 2,

gdzie T jest temperaturą zimnego złącza termoelementu.

Im większa wartość Z dla poszczególnych gałęzi, tym większa wartość Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2, która decyduje o sprawności. cały termoelement. Wskazane jest wybieranie półprzewodników o najwyższych wartościach ruchliwości i minimalnej przewodności cieplnej. Wprowadzenie pewnych zanieczyszczeń do półprzewodnika jest głównym dostępnym sposobem zmiany jego parametrów (a, r, l) w pożądanym kierunku.

Nowoczesne termoelektryczne urządzenia chłodnicze zapewniają obniżenie temperatury od +20°C do 200°C; ich wydajność chłodnicza zwykle nie przekracza 100 W.

Technologicznie pręty wykonane z materiałów półprzewodnikowych o przewodności p i n (1) mocuje się na płytach przewodzących ciepło z materiału izolacyjnego (2) za pomocą metalowych łączników (3), jak pokazano na rys. 6.

Schemat modułu termoelektrycznego

Ryż. 6

Stosowanie efektu

Główne obszary praktycznego wykorzystania efektu Peltiera w półprzewodnikach: pozyskiwanie zimna do tworzenia termoelektrycznych urządzeń chłodzących, ogrzewanie do celów grzewczych, termostatowanie, sterowanie procesem krystalizacji w stałych warunkach temperaturowych.

Metoda chłodzenia termoelektrycznego ma kilka zalet w porównaniu z innymi metodami chłodzenia. Urządzenia termoelektryczne wyróżniają się łatwością sterowania, możliwością precyzyjnej regulacji temperatury, cichością i wysoką niezawodnością działania. Główną wadą urządzeń termoelektrycznych jest ich niska wydajność, co nie pozwala na wykorzystanie ich do przemysłowej produkcji „na zimno”.

Termoelektryczne urządzenia chłodnicze znajdują zastosowanie w lodówkach domowych i transportowych, termostatach, do chłodzenia i termostatowania elementów termoczułych sprzętu radioelektronicznego i optycznego, do kontroli procesu krystalizacji, w urządzeniach medycznych, biologicznych itp.

W technologii komputerowej termoelektryczne urządzenia chłodzące mają slangową nazwę „coolers” (od angielskiego chłodnicy - chłodnicy).

Literatura

1. Encyklopedia fizyczna.- M.: Wielka Encyklopedia Rosyjska, 1998.- T.5.- P.98-99, 125.

2. Sivukhin S.D. Ogólny kurs fizyki - M.: Nauka, 1977. - T.3. Energia elektryczna.- P.490-494.

3. Stilbans L.S. Fizyka półprzewodników - M., 1967. - P.75-83, 292-311.

4. Ioffe A.F. Termoelementy półprzewodnikowe - M., 1960.

Słowa kluczowe