Geladeira efeito Peltier. O que é um elemento Peltier, sua estrutura, princípio de funcionamento e aplicação prática. Fatores que influenciam a eficiência do TEM

04.08.2020

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Descoberto em 1834 por J. Peltier, que descobriu que quando uma corrente passa por uma junção de dois condutores diferentes, a temperatura da junção muda. Em 1838, E. H. Lenz mostrou que com uma corrente suficientemente forte era possível congelar ou ferver uma gota de água aplicada a uma junção, alterando a direção da corrente.

A essência do efeito Peltier é que quando uma corrente elétrica passa pelo contato de dois metais ou semicondutores na área de seu contato, além do calor Joule usual, uma quantidade adicional de calor é liberada ou absorvida, chamada Peltier aquecer Q p. Ao contrário do calor Joule, que é proporcional ao quadrado da corrente, a magnitude Q p proporcional à primeira potência da corrente.

Q p = P.I. t.

t- tempo de passagem atual,

EU- força atual.

P- Coeficiente de Peltier, coeficiente de proporcionalidade que depende da natureza dos materiais que formam o contato. Os conceitos teóricos permitem expressar o coeficiente de Peltier através das características microscópicas dos elétrons de condução.

Coeficiente Peltier P = T D a, Onde T- temperatura absoluta, e Δ α - diferença nos coeficientes termoelétricos dos condutores. A direção da corrente determina se o calor Peltier será gerado ou absorvido.

A razão para o efeito é que, no caso de contato entre metais ou semicondutores, surge uma diferença de potencial de contato interno na fronteira. Isso leva ao fato de que a energia potencial dos portadores em ambos os lados do contato se torna diferente, uma vez que a energia média dos portadores de corrente depende do seu espectro de energia, concentração e mecanismos de sua dissipação e é diferente nos diferentes condutores. Como a energia média dos elétrons envolvidos na transferência de corrente difere em diferentes condutores, no processo de colisões com íons da rede, os transportadores transferem o excesso de energia cinética para a rede e o calor é liberado. Se, ao passar por um contato, a energia potencial dos portadores diminui, então sua energia cinética aumenta e os elétrons, colidindo com os íons da rede, aumentam sua energia para um valor médio, enquanto o calor Peltier é absorvido. Assim, quando os elétrons passam por um contato, os elétrons transferem o excesso de energia para os átomos ou a reabastecem às suas custas.

Durante a transição dos elétrons de um semicondutor para um metal, a energia dos elétrons de condução do semicondutor é significativamente maior do que o nível de Fermi (ver energia de Fermi) do metal, e os elétrons liberam seu excesso de energia. O efeito Peltier é especialmente forte em semicondutores, que é usado para criar dispositivos semicondutores de resfriamento e aquecimento, incluindo a criação de microrrefrigeradores em unidades de refrigeração.

Ministério da Educação e Ciência da Federação Russa

INSTITUIÇÃO DE EDUCAÇÃO DO ORÇAMENTO DO ESTADO FEDERAL

EDUCAÇÃO SUPERIOR PROFISSIONAL

“Universidade Estadual de Kursk”

Faculdade de Física e Matemática

Departamento de Nanotecnologia

Trabalho do curso

Sobre o tema: “Efeito Peltier”

Concluído por: aluno do 3º ano do grupo 36 Kakurina O.A.

Verificado por: Professor Associado Chelyshev S.Yu.

Introdução…………………………………………………………..3

1. História da descoberta do efeito……..……………………………………4

2. Fundamentação teórica……………………………………………6

3. Implementação técnica do efeito……………………………………………………12

4. Aplicações…………………………………………………….19

Conclusões…………………………………………………………………………...21

Lista de referências…………………………..…..23

Introdução

Este trabalho se dedica ao estudo do fenômeno termoelétrico, no qual o calor é liberado ou absorvido quando uma corrente elétrica passa no ponto de contato (junção) de dois condutores diferentes - o efeito Peltier. Apresenta a história da descoberta deste fenômeno, descreve sua justificativa teórica, examina a implementação técnica do efeito e apresenta as vantagens e desvantagens dos elementos Peltier.

As descobertas dos fenômenos termoelétricos, em particular o efeito Peltier, lançaram as bases para o desenvolvimento de um campo independente de tecnologia - a termoenergética, que trata tanto da conversão direta de energia térmica em energia elétrica quanto de questões de resfriamento e aquecimento termoelétrico. A história da descoberta dos fenômenos termoelétricos remonta a mais de 180 anos. Eles tiveram uso prático apenas em meados do século 20, ou seja, 130 anos após sua descoberta. Atualmente, o fenômeno Peltier tem amplas aplicações práticas. Por exemplo, é usado para resfriar e controlar a temperatura de lasers de diodo para estabilizar o comprimento de onda de emissão; em termostatos; em equipamentos ópticos; controlar o processo de cristalização; como pré-aquecedor para fins de aquecimento. Amplamente utilizado em tecnologia de informática; em dispositivos radioelétricos; em equipamentos médicos e farmacêuticos; em eletrodomésticos; em equipamentos de controle climático; para resfriar bebidas; em instrumentos laboratoriais e científicos; em fabricantes de gelo; em aparelhos de ar condicionado; gerar eletricidade; em medidores eletrônicos de vazão de água.

O objetivo deste trabalho é familiarizar-se com a história da descoberta do efeito Peltier, estudar os seus fundamentos físicos, estudar elementos baseados neste fenómeno, desenvolver implementações técnicas do efeito e sistematizar os conhecimentos adquiridos.

1. História da descoberta.

Uma série de descobertas científicas na “grande década” do início do século XIX estabeleceu as condições prévias para o domínio da termoeletricidade, sem dúvida a direção mais promissora no setor energético do futuro. As direções científicas nesta área estão em constante desenvolvimento e os cientistas russos estão no centro desta pesquisa.

A história da descoberta dos fenômenos termoelétricos remonta a mais de 180 anos. Eles receberam uso prático apenas em meados do século 20, ou seja, 130 anos após sua descoberta e principalmente graças ao trabalho do acadêmico soviético A.F. Ioffe. Foi iniciado pelo cientista alemão Thomas Johann Seebeck (1770 - 1831). Em 1822, publicou os resultados de seus experimentos no artigo ">

12 anos (1834) após a descoberta de Seebeck, o "efeito Peltier" foi descoberto. Este efeito é o oposto do efeito Seebeck. Este fenômeno foi descoberto pelo físico e meteorologista francês Peltier Jean Charles Atanaz (Fig. 1). Física era seu hobby. Anteriormente, trabalhou como relojoeiro para A.L. Breguet, mas graças à herança recebida em 1815, Peltier pôde se dedicar a experimentos de física e à observação de fenômenos meteorológicos. Assim como Seebeck, Peltier não conseguiu interpretar corretamente os resultados de sua pesquisa. Em sua opinião, os resultados obtidos serviram como ilustração de que quando correntes fracas passam por um circuito, a lei universal de Joule-Lenz sobre a liberação de calor por uma corrente fluida não funciona. Somente em 1838, o acadêmico de São Petersburgo Emilius Christianovich Lenz (1804-1865) provou que o “efeito Peltier” é um fenômeno físico independente que consiste na liberação e absorção de calor adicional nas junções do circuito durante a passagem de corrente contínua . Neste caso, a natureza do processo (absorção ou liberação) depende da direção da corrente. Em seu experimento, Lenz fez experiências com uma gota d'água colocada na junção de dois condutores (bismuto e antimônio). Quando uma corrente passava em uma direção, uma gota de água congelou e, quando a direção da corrente mudou, ela derreteu. Assim, foi estabelecido que quando a corrente passa pelo contato de dois condutores, o calor é liberado em uma direção e absorvido na outra. Vinte anos depois, William Thomson (mais tarde Lord Kelvin) deu uma explicação abrangente dos efeitos Seebeck e Peltier e da relação entre eles. As relações termodinâmicas obtidas por Thomson permitiram-lhe prever o terceiro efeito termoelétrico, que mais tarde recebeu seu nome.

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

Essas descobertas lançaram as bases para o desenvolvimento de um campo independente de tecnologia - a termoenergética, que trata tanto da conversão direta de energia térmica em energia elétrica (efeito Seebeck) quanto das questões de resfriamento e aquecimento termoelétrico (efeito Peltier). No início do século XIX, o engenheiro alemão Altenkirch desenvolveu esta teoria e introduziu os conceitos de coeficiente de desempenho e eficiência Z, mostrando que o efeito Peltier nas junções metálicas, devido à diferença de temperatura alcançável de apenas alguns graus, não era adequado. para aplicação prática. E apenas algumas décadas depois, principalmente através dos esforços do Acadêmico A. Ioffe e da teoria das soluções sólidas que ele desenvolveu, foram obtidos resultados teóricos e práticos que deram impulso à ampla aplicação prática do efeito Peltier.

2. Justificativa teórica.

O efeito Peltier é um fenômeno termoelétrico no qual o calor é liberado ou absorvido quando uma corrente elétrica passa no ponto de contato (junção) de dois condutores diferentes. A quantidade de calor gerada e seu sinal dependem do tipo de substâncias em contato, da direção e da intensidade da corrente elétrica que flui.

Ao contrário do calor de Joule-Lenz, que é proporcional ao quadrado da intensidade da corrente (Q = R·I2·t), o calor de Peltier é proporcional à primeira potência da intensidade da corrente e muda de sinal quando a direção desta muda. . O calor Peltier, conforme demonstrado por estudos experimentais, pode ser expresso pela fórmula:

Qп = П · q (1)

onde q é a carga que passa pelo contato (q = I t), P é o chamado coeficiente de Peltier, cujo valor depende da natureza dos materiais em contato e de sua temperatura.

A quantidade de calor gerada Qp e seu sinal dependem do tipo de substâncias em contato, da intensidade da corrente e do tempo de sua passagem:

dQп = П12· I· dt (2)

Aqui P12 = P1 – P2 é o coeficiente de Peltier para um determinado contato, associado aos coeficientes absolutos de Peltier P1 e P2 dos materiais em contato. Neste caso, assume-se que a corrente flui da primeira amostra para a segunda. Quando o calor Peltier é liberado, temos: QP > 0, P12 > 0, P1 > P2. Quando o calor Peltier é absorvido, é considerado negativo e, consequentemente: QP< 0, П12 < 0, П1 < П2. Очевидно, что П12 = – П21.

Dimensão do coeficiente Peltier:

[P] SI = J / Cl = V.

Em vez do calor Peltier, muitas vezes é usada uma quantidade física, definida como a energia térmica liberada a cada segundo em um contato de uma unidade de área. Essa quantidade, chamada de potência de liberação de calor, é determinada pela fórmula:

q P = P12 j , (3)

onde j = I/S – densidade de corrente; S – área de contato.

A dimensão desta quantidade:

SI = W/m2.

Arroz. 2. Esquema de experimento para medição de calor Peltier

(Cu – cobre, Bi – bismuto).

No diagrama experimental apresentado (Fig. 2) para medição do calor Peltier, com a mesma resistência dos fios R (Cu+Bi) baixados nos calorímetros, o mesmo calor Joule será liberado em cada calorímetro, ou seja, em Q = R· Eu2·t. O calor Peltier, ao contrário, será positivo em um calorímetro e negativo no outro. De acordo com este esquema, é possível medir o calor Peltier e calcular os valores dos coeficientes Peltier para diferentes pares de condutores. O coeficiente Peltier depende significativamente da temperatura. Alguns valores do coeficiente Peltier para vários pares de metais são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1.

Valores do coeficiente Peltier para vários pares de metais

O coeficiente Peltier, que é uma importante característica técnica dos materiais, geralmente não é medido, mas é calculado através do coeficiente Thomson:

P = um T, (4)

onde P é o coeficiente de Peltier, a é o coeficiente de Thomson, T é a temperatura absoluta.

A descoberta do efeito Peltier teve uma grande influência no desenvolvimento subsequente da física e, posteriormente, em vários campos da tecnologia.

Assim, a essência do efeito aberto é a seguinte: quando uma corrente elétrica passa pelo contato de dois condutores feitos de materiais diferentes, dependendo de sua direção, além do calor Joule, é liberado ou absorvido calor adicional, que é chamado Peltier aquecer. O grau em que este efeito se manifesta depende em grande parte dos materiais dos condutores selecionados e dos modos elétricos utilizados.

A teoria clássica explica o fenômeno Peltier pelo fato de que os elétrons transferidos por corrente de um metal para outro são acelerados ou desacelerados pela diferença de potencial de contato interno entre os metais. No primeiro caso, a energia cinética dos elétrons aumenta e é então liberada na forma de calor. No segundo caso, a energia cinética dos elétrons diminui, e essa perda de energia é reposta devido às vibrações térmicas dos átomos do segundo condutor. Como resultado, ocorre o resfriamento. Uma teoria mais completa leva em conta não a mudança na energia potencial quando um elétron é transferido de um metal para outro, mas a mudança na energia total.

Na Fig. 3 e Fig. A Figura 4 mostra um circuito fechado composto por dois semicondutores diferentes PP1 e PP2 com contatos A e B.

Arroz. 3. Geração de calor Peltier (contato A)

Arroz. 4. Absorção de calor Peltier (contato A)

Esse circuito é geralmente chamado de termoelemento e seus ramos são chamados de termoeletrodos. Uma corrente I criada por uma fonte externa E flui através do circuito Fig. A Figura 3 ilustra a situação quando no contato A (a corrente flui de PP1 para PP2) o calor Peltier é liberado Qп (A) > 0, e no contato B (a corrente é direcionada de PP2 para PP1) sua absorção é Qп (B)< 0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА >TELEVISÃO. Na Fig. 4, uma mudança no sinal da fonte altera a direção da corrente para o oposto: de PP2 para PP1 no contato A e de PP1 para PP2 no contato B. Assim, o sinal do calor Peltier e a relação entre o contato mudanças de temperatura: Qp (A)< 0, ТА < ТВ .

O efeito Peltier, como muitos fenômenos termoelétricos, é especialmente pronunciado em circuitos compostos de semicondutores com condutividade eletrônica (tipo n) e de furo (tipo p). Esses semicondutores são chamados, respectivamente, de semicondutores do tipo n e p ou simplesmente semicondutores do tipo n e p. Consideremos a situação em que a corrente no contato passa de um semicondutor furado para um eletrônico. Nesse caso, elétrons e buracos movem-se um em direção ao outro e, ao se encontrarem, recombinam-se. Como resultado da recombinação, é liberada energia, que é liberada na forma de calor. Esta situação é mostrada na Fig. 5, que mostra as bandas de energia (Ec – banda de condução, Еv – banda de valência) para semicondutores de impureza com furo e condutividade eletrônica.

Arroz. 5. Geração de calor Peltier no contato de semicondutores do tipo p e n

Na Fig. 6 (Ec – banda de condução, Еv – banda de valência) ilustra a absorção de calor Peltier para o caso em que a corrente flui de um semicondutor n para p.

Arroz. 6. Absorção de calor Peltier no contato de semicondutores do tipo p e n

Aqui, os elétrons em um semicondutor eletrônico e os buracos em um semicondutor vazio se movem em direções opostas, afastando-se da interface. A perda de portadores de corrente na região limite é compensada pela produção aos pares de elétrons e lacunas. A formação de tais pares requer energia, que é fornecida pelas vibrações térmicas dos átomos da rede. Os elétrons e buracos resultantes são atraídos em direções opostas pelo campo elétrico. Portanto, enquanto a corrente flui através do contato, novos pares nascem continuamente. Como resultado, o calor será absorvido em contato. Semicondutores de condutividade do tipo p e n são usados em refrigeradores termoelétricos (Fig. 7).

Arroz. 7. Uso de semicondutores do tipo p e n em refrigeradores termoelétricos.

3. Implementação técnica do efeito.

A combinação de um grande número de pares de semicondutores do tipo p e n torna possível criar elementos de resfriamento - módulos Peltier de potência relativamente alta.

Um módulo Peltier (elemento Peltier) é um conversor termoelétrico cujo princípio de funcionamento é baseado no efeito Peltier.

A estrutura de um módulo Peltier termoelétrico semicondutor é mostrada na Fig. 8.

Arroz. 8. Estrutura do módulo Peltier.

O módulo Peltier é um refrigerador termoelétrico que consiste em semicondutores do tipo p e n conectados em série, formando junções pn e np. Cada uma dessas junções tem contato térmico com um dos dois radiadores. Como resultado da passagem de uma corrente elétrica de determinada polaridade, forma-se uma diferença de temperatura entre os radiadores do módulo Peltier: um radiador funciona como uma geladeira, o outro radiador aquece e serve para retirar o calor. Na Fig. A Figura 9 mostra a aparência de um módulo Peltier típico.

Arroz. 9. Aparência do módulo Peltier.

Um módulo típico fornece uma diferença significativa de temperatura de várias dezenas de graus. Com o resfriamento forçado adequado do radiador de aquecimento, o segundo radiador - o refrigerador - permite atingir temperaturas negativas. Para aumentar a diferença de temperatura, é possível ligar em cascata os módulos termoelétricos Peltier, garantindo ao mesmo tempo um resfriamento adequado. Isto permite, por meios relativamente simples, obter uma diferença de temperatura significativa e garantir um arrefecimento eficaz dos elementos protegidos. Na Fig. A Figura 10 mostra um exemplo de conexão em cascata de módulos Peltier padrão.

Arroz. 10. Exemplo de conexão em cascata de módulos Peltier

Os dispositivos de resfriamento baseados em módulos Peltier são frequentemente chamados de refrigeradores Peltier ativos ou simplesmente refrigeradores Peltier (Fig. 11). O uso de módulos Peltier em coolers ativos os torna significativamente mais eficientes em comparação com tipos padrão de coolers baseados em radiadores e ventiladores tradicionais. Porém, no processo de projeto e utilização de coolers com módulos Peltier, é necessário levar em consideração uma série de características específicas decorrentes do projeto dos módulos, seu princípio de funcionamento, a arquitetura do hardware de computador moderno e a funcionalidade do sistema e software aplicativo.

Arroz. 11. Aparência de um cooler com módulo Peltier

A principal característica de um dispositivo de resfriamento termoelétrico é sua eficiência de resfriamento:

Z = a2 / (r·l), (5)

onde a é o coeficiente de potência térmica; r – resistividade; l é a condutividade térmica do semicondutor.

O parâmetro Z é uma função da temperatura e da concentração do portador de carga, e para cada temperatura dada existe um valor de concentração ideal no qual o valor Z é máximo. A introdução de certas impurezas em um semicondutor é o principal meio disponível para alterar seus parâmetros (a, r, l) na direção desejada. Dispositivos de resfriamento termoelétricos modernos proporcionam redução de temperatura de +20°C a 200°C; sua capacidade de resfriamento geralmente não ultrapassa 100 W.

Os módulos Peltier, utilizados como componentes para resfriamento de componentes eletrônicos, são caracterizados por uma confiabilidade relativamente alta e, diferentemente dos refrigeradores criados com tecnologia tradicional, não possuem partes móveis. E, conforme observado acima, para aumentar a eficiência de seu funcionamento, permitem o uso em cascata, o que permite levar a temperatura das carcaças dos elementos eletrônicos protegidos a valores negativos, mesmo com seu significativo poder de dissipação. Além disso, o módulo é reversível, ou seja, Quando a polaridade DC muda, as placas quentes e frias trocam de lugar.

No entanto, além das vantagens óbvias, os módulos Peltier também possuem uma série de propriedades e características específicas que devem ser levadas em consideração ao utilizá-los como parte de refrigerantes. As características mais importantes incluem os seguintes recursos operacionais:

Os módulos Peltier, que geram grande quantidade de calor durante sua operação, requerem a presença de radiadores e ventiladores apropriados no cooler que possam remover efetivamente o excesso de calor dos módulos de resfriamento. Os módulos termoelétricos são caracterizados por um coeficiente de desempenho (eficiência) relativamente baixo e, desempenhando as funções de uma bomba de calor, são eles próprios poderosas fontes de calor. A utilização destes módulos como parte de meios de refrigeração para componentes eletrônicos de computador causa um aumento significativo na temperatura dentro da unidade do sistema, o que muitas vezes requer medidas e meios adicionais para reduzir a temperatura dentro do gabinete do computador. Caso contrário, o aumento da temperatura no interior da caixa cria dificuldades operacionais não só para os elementos protegidos e seus sistemas de refrigeração, mas também para o resto dos componentes do computador. Além disso, os módulos Peltier são uma carga adicional relativamente poderosa para a fonte de alimentação. Levando em consideração o consumo de corrente dos módulos Peltier, a potência da fonte de alimentação do computador deve ser de no mínimo 250 W. Tudo isso leva à conveniência de escolher placas-mãe e gabinetes ATX com fontes de alimentação com potência suficiente. O uso deste design torna mais fácil para os componentes do computador organizarem condições térmicas e elétricas ideais.

O módulo Peltier, em caso de falha, isola o elemento resfriado do radiador do resfriador. Isto leva a uma violação muito rápida do regime térmico do elemento protegido e à sua rápida falha devido ao superaquecimento subsequente.

As baixas temperaturas que ocorrem durante a operação dos refrigeradores Peltier com excesso de potência contribuem para a condensação da umidade do ar. Isto representa um risco para os componentes eletrônicos, pois a condensação pode causar curto-circuitos entre os componentes. Para eliminar este perigo, é aconselhável utilizar refrigeradores Peltier com potência ideal. A ocorrência ou não de condensação depende de vários parâmetros. Os mais importantes são: a temperatura ambiente (neste caso, a temperatura do ar dentro da caixa), a temperatura do objeto resfriado e a umidade do ar. Quanto mais quente o ar dentro do gabinete e quanto maior a umidade, maior a probabilidade de ocorrer condensação de umidade e subsequente falha dos componentes eletrônicos do computador.

Além desses recursos, é necessário levar em consideração uma série de circunstâncias específicas associadas ao uso de módulos termoelétricos Peltier como parte de coolers usados para resfriar processadores centrais de alto desempenho de computadores potentes.

A arquitetura dos processadores modernos (Fig. 12) e alguns programas do sistema prevêem alterações no consumo de energia dependendo da carga dos processadores. Isso permite otimizar o consumo de energia. Em condições normais, otimizar a operação do processador e seu consumo de energia tem um efeito benéfico tanto no regime térmico do próprio processador quanto no equilíbrio térmico geral. No entanto, deve-se observar que modos com alterações periódicas no consumo de energia podem não ser compatíveis com meios de resfriamento para processadores que utilizam módulos Peltier. Isto se deve ao fato de que os refrigeradores Peltier existentes são geralmente projetados para operação contínua.

Arroz. 12. Processador com módulo Peltier

Alguns problemas também podem surgir como resultado da operação de uma série de funções integradas, por exemplo, aquelas que controlam as ventoinhas do cooler. Em particular, os modos de gerenciamento de energia do processador em alguns sistemas de computador envolvem a alteração da velocidade dos ventiladores de resfriamento por meio do hardware integrado da placa-mãe. Em condições normais, isto melhora significativamente o desempenho térmico do processador do computador. Porém, no caso de utilização dos refrigeradores Peltier mais simples, a diminuição da velocidade de rotação pode levar a uma deterioração do regime térmico com resultado fatal para o processador devido ao seu superaquecimento pelo módulo Peltier operacional, que, além de realizar as funções de uma bomba de calor, é uma poderosa fonte de calor adicional.

Deve-se notar que, como no caso dos processadores centrais de computadores, os refrigeradores Peltier podem ser uma boa alternativa aos meios tradicionais de resfriamento de chipsets de vídeo usados em modernos adaptadores de vídeo de alto desempenho. A operação de tais chipsets de vídeo é acompanhada por uma geração significativa de calor e geralmente não está sujeita a mudanças repentinas em seus modos de operação.

Para eliminar problemas com modos de consumo de energia variável que causam condensação de umidade do ar e possível hipotermia e, em alguns casos, até mesmo superaquecimento de elementos protegidos, como processadores de computador, você deve evitar o uso de tais modos e de uma série de funções integradas. Entretanto, como alternativa, podem ser utilizados sistemas de refrigeração que forneçam controles inteligentes para refrigeradores Peltier. Essas ferramentas podem controlar não apenas o funcionamento dos ventiladores, mas também alterar os modos de operação dos próprios módulos termoelétricos utilizados como parte dos resfriadores ativos.

Muitos laboratórios de investigação estão a realizar trabalhos para melhorar os sistemas que garantam condições óptimas de temperatura para os elementos electrónicos. E os sistemas de refrigeração que utilizam módulos termoelétricos Peltier são considerados extremamente promissores.

4. Áreas de aplicação.

As principais áreas de utilização prática do efeito Peltier em semicondutores: obtenção de frio para criação de dispositivos termoelétricos de refrigeração, aquecimento para fins de aquecimento, termostato, controle do processo de cristalização em condições de temperatura constante. Módulos termoelétricos (TEMs) são usados em dispositivos de resfriamento para componentes eletrônicos e vários dispositivos de controle de temperatura devido à facilidade de controle eletrônico preciso de temperatura para aquecimento e resfriamento.

A capacidade máxima de resfriamento do TEM é obtida em um determinado valor de corrente, que em um determinado valor da tensão de alimentação é mostrado como Imax. O modo de alimentação não estacionário com pulsos de corrente várias vezes superiores a Imax permitirá por algum tempo obter uma capacidade de refrigeração muito superior à nominal. Isso se explica pelo fato de o próprio efeito Peltier ser inercial, em contraste com a propagação do calor Joule e o fenômeno da condutividade térmica, e, em poucos segundos, isso pode ser aproveitado. No entanto, os modos não estacionários não são amplamente utilizados.

Devido à reversibilidade dos efeitos termoelétricos, os TEMs também podem ser utilizados como geradores termoelétricos (TEGs). Longe das conveniências da civilização, esta pode ser uma das poucas fontes de energia eléctrica disponíveis, por exemplo, para recarregar baterias ou alimentar directamente equipamentos electrónicos ou outros dispositivos. Bastante utilizados são os dispositivos nos quais é criada uma diferença de temperatura entre uma casca metálica externa, aquecida por um fogo aberto (fogueira), e uma casca interna, resfriada por água. O lado “frio” será limitado pelo ponto de ebulição da água, portanto tal TEM deve ser projetado para uma temperatura operacional de 500 – 600°K. Deve-se ter em mente que o equilíbrio térmico para um TEG é qualitativamente diferente de um TEM baseado no efeito Peltier, e este efeito (juntamente com o calor Joule) representa apenas uma pequena porcentagem da contribuição total, o que requer uma ênfase completamente diferente. ao projetar um TEG. Os TEGs são amplamente utilizados na tecnologia espacial, onde a temperatura do lado “quente” é mantida por uma fonte de radioisótopos. Os marcapassos implantados no corpo humano também são equipados com um TEG com uma fonte de radioisótopo para criar uma diferença de temperatura.

Além disso, os elementos Peltier são frequentemente usados para resfriamento e controle de temperatura de lasers de diodo, a fim de estabilizar o comprimento de onda da radiação. Em dispositivos com baixo poder de resfriamento, os elementos Peltier são frequentemente usados como segundo ou terceiro estágio de resfriamento. Isto torna possível atingir temperaturas 30 - 40 K mais baixas do que com resfriadores de compressão convencionais.

Conclusão

O efeito Peltier foi descoberto pelo francês Jean-Charles Peltier em 1834. Em um de seus experimentos, ele passou uma corrente elétrica através de uma tira de bismuto com condutores de cobre conectados a ela. Durante o experimento, descobri que um composto de bismuto-cobre aquece, o outro esfria. O próprio Peltier não compreendeu totalmente a essência do fenômeno que descobriu. O verdadeiro significado do fenômeno foi explicado posteriormente em 1838 por Lenz. Em seu experimento, Lenz fez experiências com uma gota d'água colocada na junção de dois condutores (bismuto e antimônio). Quando uma corrente passava em uma direção, uma gota de água congelou e, quando a direção da corrente mudou, ela derreteu. Assim, foi estabelecido que quando a corrente passa pelo contato de dois condutores, o calor é liberado em uma direção e absorvido na outra. Este fenômeno foi chamado de efeito Peltier.

A teoria clássica explica o fenômeno Peltier pelo fato de que quando os elétrons são transferidos por corrente de um metal para outro, eles são acelerados ou desacelerados pela diferença de potencial de contato interno entre os metais. Quando acelerado, a energia cinética dos elétrons aumenta e é então liberada na forma de calor. No caso oposto, a energia cinética diminui, e a energia é reposta devido à energia das vibrações térmicas dos átomos do segundo condutor, então ele começa a esfriar. Uma consideração mais completa leva em consideração a mudança não apenas na energia potencial, mas também na energia total.

Com base no efeito Peltier, foram criados módulos (elementos) Peltier. Eles consistem em um ou mais pares de pequenos paralelepípedos semicondutores, que são conectados aos pares por meio de jumpers metálicos. Os jumpers metálicos servem simultaneamente como contatos térmicos e são isolados com um filme não condutor ou placa cerâmica. Pares de paralelepípedos são conectados de tal forma que se forma uma conexão em série de muitos pares de semicondutores com diferentes tipos de condutividade, de modo que no topo haja uma sequência de conexões (n-> p), e na parte inferior oposta ( p->n). A corrente elétrica flui sequencialmente por todos os paralelepípedos. Dependendo da direção da corrente, os contatos superiores são resfriados e os inferiores aquecidos - ou vice-versa. Assim, a corrente elétrica transfere calor de um lado do elemento Peltier para o oposto e cria uma diferença de temperatura.

Elementos Peltier multiestágio são usados para resfriar receptores de radiação em sensores infravermelhos. Atualmente estão sendo conduzidos experimentos para incorporar módulos Peltier em miniatura diretamente em chips de processador para resfriar suas estruturas mais críticas. Esta solução promove um melhor resfriamento ao reduzir a resistência térmica e pode aumentar significativamente a frequência de operação e o desempenho dos processadores. Assim, a descoberta do efeito Peltier teve grande influência no desenvolvimento subsequente da física e, posteriormente, em vários campos da tecnologia.

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Introdução

O efeito Peltier é um fenômeno termoelétrico no qual o calor é liberado ou absorvido quando uma corrente elétrica passa no ponto de contato (junção) de dois condutores diferentes.

O efeito Seebeck é o fenômeno da ocorrência de EMF em um circuito elétrico fechado que consiste em condutores diferentes conectados em série, cujos contatos estão em diferentes temperaturas.

Ambos os efeitos foram descobertos no século 19: J. Peltier em 1834, a essência do fenômeno foi explorada alguns anos depois - em 1838 por Lenz, que conduziu um experimento no qual colocou uma gota d'água em um recesso em a junção de duas hastes de bismuto e antimônio. T. I. Seebeck descobriu o efeito de mesmo nome em 1821. Em 1822, publicou os resultados de seus experimentos no artigo “Sobre a questão da polarização magnética de certos metais e minérios que surgem sob condições de diferenças de temperatura”, publicado nos relatórios da Academia Prussiana de Ciências

Fiquei interessado neste tópico porque elementos inventados no século 19 ainda são efetivamente usados em dispositivos modernos. Apesar de em cada caso específico ser selecionado um elemento com os parâmetros necessários, a teoria e as fontes indicam que os elementos são intercambiáveis. Se isso é verdade ou não, planejamos verificar em nosso estudo.

Formulação do problema:

Ambos os efeitos (o efeito Peltier e o efeito Seebeck) são amplamente utilizados na tecnologia moderna, e o princípio de funcionamento dos elementos criados a partir deles pode ser entendido como parte de um curso escolar de física. Entretanto, esses efeitos não são mencionados no curso de física escolar. Este trabalho, para além do seu significado aplicado, tem também um importante aspecto metodológico associado à inclusão de uma descrição de diversas realizações científicas no percurso escolar.

Pesquisar hipóteses: Existem diferenças ao usar efeitos Peltier e Seebeck diretos e inversos.

Propósito do estudo: identificar as características distintivas do efeito Peltier e do efeito Seebeck quando usados nas direções direta e reversa.

Objetivos de pesquisa:

Estude a história da descoberta do efeito Peltier e do efeito Seebeck.

Estudar as características do efeito Peltier direto e inverso, efeito Seebeck direto e inverso.

Crie uma configuração para conduzir o experimento.

Conduza uma série de experimentos para testar a hipótese.

Analise os resultados do experimento e tire uma conclusão se a hipótese foi confirmada ou não.

Objeto de estudo: Elemento Peltier e elemento Seebeck.

Assunto de estudo: características do efeito direto e inverso do efeito Peltier e do efeito Seebeck direto e inverso.

Métodos de pesquisa

Os seguintes métodos foram usados no estudo:

1. Teórico:

Análise das fontes de informação sobre a história da descoberta dos efeitos Peltier e Seebeck consideradas na obra,

Análise de informações sobre o princípio de funcionamento dos elementos Peltier e Seebeck,

Análise dos dados experimentais obtidos.

Indução incompleta: formulação de uma conclusão baseada em dados que não abrangem todos os aspectos e possíveis combinações de características dos objetos em estudo.

2. Empírico:

Realização de uma série de experimentos para testar uma hipótese.

Esta pesquisa é aplicada. Os resultados do estudo fornecerão uma resposta sobre a eficácia da intercambialidade dos elementos Peltier e Seebeck.

Análise de fonte

Ao descrever os efeitos em estudo, todas as fontes mencionam que existe “o efeito Peltier e o seu efeito inverso, o chamado efeito Seebeck”, enquanto o efeito Seebeck inverso não é mencionado. Neste trabalho, além de descobrir os efeitos Peltier direto e inverso e comparar o efeito Peltier inverso com o efeito Seebeck direto, testaremos a existência do efeito Seebeck inverso.

A relevância do tema em estudo é indicada pela atenção que os livros didáticos estrangeiros dedicam ao estudo desses efeitos. Eles fornecem não apenas uma descrição dos efeitos em consideração, mas também uma explicação sobre eles, e também falam sobre sua aplicação.

O site do fabricante russo de equipamentos educacionais, 3B Scientific LLC, oferece uma instalação laboratorial “Efeito Seebeck” no valor de RUB 229.873,00. , ao qual está anexado um desenvolvimento metodológico. Depois de estudá-lo, chegamos à conclusão de que tal experimento pode ser realizado em equipamentos que não exigem custos tão elevados.

Parte principal do efeito Pelte

O efeito Peltier é um fenômeno termoelétrico de transferência de energia durante a passagem de uma corrente elétrica no ponto de contato (junção) de dois condutores diferentes, de um condutor para outro. É também o efeito inverso do efeito Seebeck, mas também pode desempenhar as suas funções.

Quando um lado é aquecido e o outro resfriado, este elemento pode produzir eletricidade. E também esse elemento tem o efeito contrário, ou seja, quando esse elemento está conectado à eletricidade, um lado esfria e o outro esquenta.

A razão para o fenômeno Peltier é a seguinte. No contato de duas substâncias existe uma diferença de potencial de contato, que cria um campo de contato interno. Se uma corrente elétrica flui através de um contato, esse campo facilitará ou dificultará a passagem da corrente. Se a corrente flui contra o campo de contato, então a fonte externa deverá gastar energia adicional, que é liberada no contato, o que levará ao seu aquecimento. Se a corrente flui na direção do campo de contato, ela pode ser sustentada por esse campo, que realiza o trabalho de mover cargas. A energia necessária para isso é retirada da substância, o que leva ao seu resfriamento no ponto de contato.

Efeito Seebeck

O efeito Seebeck é o fenômeno da ocorrência de EMF em um circuito elétrico fechado que consiste em condutores diferentes conectados em série, cujos contatos estão em diferentes temperaturas.

Se houver um gradiente de temperatura ao longo do condutor, então os elétrons na extremidade quente adquirem energias e velocidades mais altas do que na extremidade fria; nos semicondutores, além disso, a concentração de elétrons de condução aumenta com a temperatura. O resultado é um fluxo de elétrons da extremidade quente para a extremidade fria. Uma carga negativa se acumula na extremidade fria e uma carga positiva não compensada permanece na extremidade quente. O processo de acumulação de carga continua até que a diferença de potencial resultante provoque um fluxo de elétrons na direção oposta, igual ao primário, estabelecendo-se assim o equilíbrio.

A fem, cuja ocorrência é descrita por este mecanismo, é chamada fem volumétrica.

Características dos elementos Peltier e Seebeck

A principal característica destes elementos é que o elemento Peltier tem o efeito oposto, mas o elemento Seebeck não. E isso apesar do efeito oposto do elemento Peltier ser o efeito do elemento Seebeck.

Como resultado, o efeito Seebeck tornou-se amplamente utilizado em vários campos.

O elemento Peltier é exatamente o oposto dos dispositivos baseados no efeito Seebeck. Neste caso, pelo contrário, sob a influência da corrente elétrica forma-se uma diferença de temperatura nos locais de trabalho da estrutura. Assim, com a ajuda da corrente elétrica, o calor é transferido de um termopar para outro. Quando a direção da corrente muda, o lado aquecido assumirá o estado oposto.

Este efeito ocorre em dois condutores diferentes com a mesma condutividade. Em cada um deles, os elétrons possuem um valor energético diferente e estão localizados a uma distância muito próxima um do outro. Como resultado, as cargas serão transferidas de um meio para outro, e os elétrons com maior energia no contexto de baixos níveis cederão o excesso à rede cristalina, causando aquecimento. Se faltar energia, ao contrário, ela é transferida da rede cristalina, levando ao resfriamento da junção.

Aplicação do efeito Peltier e do efeito Seebeck

Os efeitos estudados são utilizados para criar sensores térmicos, geradores termoelétricos e também em computadores para melhorar o resfriamento do processador.

Atualmente, o efeito Seebeck é aplicado em sensores integrados, nos quais pares correspondentes de materiais são depositados na superfície de substratos semicondutores. Um exemplo de tais sensores é um termopar para detecção de radiação térmica. Como o silício tem um coeficiente Seebeck bastante grande, detectores termoelétricos altamente sensíveis são feitos com base nele.

Uma das limitações significativas que surgem ao usar um conversor termoelétrico é o baixo coeficiente de eficiência - 3-8%. Mas se não for possível instalar linhas de energia padrão e se espera que a carga na rede seja pequena, então o uso de geradores termoelétricos é totalmente justificado. Na verdade, os dispositivos que operam com o efeito Seebeck podem ser usados em uma ampla variedade de campos:

1. Fornecimento de energia para tecnologia espacial;

2. Fonte de alimentação para equipamentos de gás e petróleo;

3. Geradores domésticos;

4. Sistemas de navegação marítima;

5. Sistemas de aquecimento;

6. Operação de calor residual de veículos;

7. Conversores de energia solar;

8. Conversores de calor gerados por fontes naturais (por exemplo, águas geotérmicas).

O efeito Peltier é utilizado em duas situações: quando é necessário fornecer calor à junção dos materiais, ou retirá-lo, o que é feito alterando o sentido da corrente. Esta propriedade encontrou sua aplicação em dispositivos onde é necessário um controle preciso de temperatura. Os elementos Peltier são usados em situações onde o resfriamento com uma pequena diferença de temperatura é necessário ou a eficiência energética do cooler não é importante. Por exemplo, os elementos Peltier são utilizados em refrigeradores de automóveis pequenos, pois o uso de compressor neste caso é impossível devido às dimensões limitadas e, além disso, a potência de refrigeração necessária é pequena.

Além disso, os elementos Peltier são usados para resfriar dispositivos de carga acoplada em câmeras digitais. Devido a isso, é alcançada uma redução notável no ruído térmico durante longas exposições (por exemplo, em astrofotografia). Elementos Peltier multiestágio são usados para resfriar receptores de radiação em sensores infravermelhos.

Elementos Peltier também são frequentemente usados:

1. Para resfriamento e controle de temperatura de lasers de diodo para estabilizar o comprimento de onda da radiação;

2. Na informática;

3. Em dispositivos radioelétricos;

4. Em equipamentos médicos e farmacêuticos;

5. Em eletrodomésticos;

6. Em equipamentos de climatização;

7. Em termostatos;

8. Em equipamentos ópticos;

9. Para controlar o processo de cristalização;

10. Como pré-aquecimento para fins de aquecimento;

11. Para refrigerar bebidas;

12. Em instrumentos laboratoriais e científicos;

13. Em máquinas de fazer gelo;

14. Em aparelhos de ar condicionado;

15. Gerar eletricidade;

16. Em medidores eletrônicos de vazão de água.

É claro que os dispositivos de resfriamento Peltier dificilmente são adequados para uso em massa. Eles são bastante caros e requerem operação adequada. Hoje é mais uma ferramenta para overclockers de processador. Porém, se for necessário resfriar fortemente os processadores, os coolers Peltier são os dispositivos mais eficazes.

Houve relatos de experimentos sobre a incorporação de módulos Peltier em miniatura diretamente em chips de processador para resfriar suas estruturas mais críticas. Esta solução promove melhor resfriamento ao reduzir a resistência térmica e pode aumentar significativamente a frequência operacional e o desempenho dos processadores.

Descrição da configuração experimental

Para conduzir o experimento, foi criado um setup para obter os dados necessários.

Para reduzir a troca de calor com o meio ambiente, é necessária a criação de um termostato. Na instalação experimental, isto foi conseguido com a ajuda de materiais de isolamento térmico utilizados durante a construção, nos quais foram criados dois banhos, separados num caso por elementos Peltier, no outro caso por um elemento Seebeck. Caixas de suco à prova d'água eram usadas como banho. A impermeabilização dos elementos foi realizada com pistola de cola.

Para a realização do experimento foram selecionados elementos Peltier e Seebeck com características semelhantes: tensão e potência de operação.

Multímetros foram usados como instrumentos de medição para registrar a temperatura.

O valor da tensão também foi medido com multímetro ou voltímetro.

Procedimento experimental

Dependendo do elemento em estudo, ou água de diferentes temperaturas foi despejada em diferentes seções dos banhos (efeito Seebeck direto e efeito Peltier inverso), ou água da mesma temperatura para detectar o efeito Peltier direto e efeito Seebeck inverso).

As leituras do sensor de temperatura foram inseridas em uma tabela (Apêndice 1), com base na qual foram construídos gráficos de tensão versus temperatura.

Cada experiência foi realizada durante 7 a 10 minutos.

Resultados da experiência

Com base nos dados obtidos durante quatro experimentos, foram construídos gráficos

Durante o experimento, o efeito Seebeck direto e o efeito Peltier inverso são observados para os elementos correspondentes, cujos valores de tensão são aproximadamente os mesmos. Como pode ser visto no gráfico, a dependência da tensão no elemento com a diferença nas temperaturas da superfície é semelhante. A diferença de significado se deve à diferença nas características dos objetos.

Comparação do efeito Peltier direto e do efeito Seebeck inverso

Efeito Seebeck reverso

Como pode ser visto no gráfico, tendo em conta os erros associados às características de design do dispositivo (indicadas nas instruções), podemos assumir que a temperatura não se alterou durante a experiência, o que indica que o efeito Seebeck inverso não foi registrado.

Isso pode ser avaliado pelo gráfico com a adição de uma linha de tendência

Efeito Peltier direto

O experimento confirmou a presença do efeito Peltier direto: em uma parte do banho a temperatura aumentou, na outra caiu.

Uma conclusão semelhante segue da análise das mudanças na diferença de temperatura entre os dois lados do elemento Peltier.

Conclusão:

O elemento Peltier tem efeitos diretos e inversos. O elemento Seebeck só pode ser usado na direção direta.

CONCLUSÃO

Ao trabalhar no estudo, com base nas fontes disponíveis, foram estudadas a história e as características do efeito Peltier direto e inverso, do efeito Seebeck direto e inverso.

A criação de uma instalação eficaz permitiu realizar com qualidade as experiências planeadas para confirmar a hipótese apresentada.

O estudo revelou as características distintivas do efeito Peltier e do efeito Seebeck quando usados nas direções direta e reversa.

A suposição sobre a ausência do efeito Seebeck reverso foi totalmente confirmada. Com base nesta afirmação, deve-se lembrar que elementos como os elementos Peltier e Seebeck são mais eficazes quando utilizados para o fim a que se destinam, embora seja possível utilizar o efeito Seebeck direto e o efeito Peltier reverso. Mesmo que existam semelhanças estruturais, para estar de acordo com a tecnologia é preciso trabalhar com um efeito específico.

Após um estudo detalhado do efeito Peltier, podemos concluir: apesar de a utilização do efeito Peltier exigir medidas e pesquisas adicionais para estudar o uso seguro e racional dos módulos Peltier como dispositivos de refrigeração, este fenômeno é extremamente promissor.

LISTA DE REFERÊNCIAS USADAS

1. Landau L.D., Lifshits E.M. Física teórica: livro didático. manual: Para universidades. Em 10. vol. Eletrodinâmica de meios contínuos. - 4ª ed., estereot.-m.: Fizmatlit, 2000. - 656 p.

2. Narkevich I.I. Física: livro didático/ I.I. Narkevich, E. I. Vomlyansky, S.I. Publicamente. - Mn.: Novos conhecimentos, 2004. - 680 p.

3. Rowell G., Herbert S. Física / Trad. do inglês Ed. V.G. Razumovsky. - M.: Educação, 1994. - 576 p.: il.

4. Sivukhin S.D. Curso geral de física - M.: Nauka, 1977. - T.3. Eletricidade.- P.490-494.

5.. Física: Enciclopédia./ Abaixo. Ed. Yu.V. Prokhorova. - M.: Grande Enciclopédia Russa, 2003. - 944 p.: il., 2 p. cor

6. Enciclopédia Física, vol. 5. Dispositivos estroboscópicos - brilho / cap. Ed. SOU. Prokhorov. Ed. Coronel: D. M. Baldin, Grande Enciclopédia Russa, 1998. - 760 p.

7. Vladimir Lank, Miroslav Vondra. Fizika v kocke. - Ceska republika: FRAGMENTO, 2000. - 120 p. Livro didático para o ensino secundário, República Eslovaca.

8. Tsokos K.A. Física para o Diploma IB. Quinta edição. - Reino Unido: Cambridge University Press, 2004. - 850 p. Livro didático para o Programa de Bacharelado Internacional

9. Site da empresa 3bscientific. [recurso eletrônico]// https://www.3bscientific.ru/laboratory-installation-seebeck-effect-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (data de acesso: 18 de fevereiro de 2018)

Apêndice 1. Resultados experimentais

Experiência 1. Efeito Seebeck direto

Tempo t, s	Diferença de temperatura Δ t, o C	Tensão U, V

Experiência 2. Efeito Peltier reverso

Tempo t, s	Temperatura da água fria tx, o C	Temperatura da água quente t g, o C	Diferença de temperatura Δ t, o C	Tensão U, V

Experimento 3: efeito Seebeck reverso

Tempo t, s	Temperatura da água fria tx, o C	Temperatura da água quente t g, o C	Diferença de temperatura Δ t, o C	Tensão

Experiência 4. Efeito Peltier direto

Tempo t, s	Temperatura da água fria tx, o C	Temperatura da água quente t g, o C	Diferença de temperatura Δ t, o C	Tensão U, V

Apêndice 2. Foto de instalação

Definição 1

Foi publicado um artigo sobre anomalias de temperatura que são observadas nas fronteiras de dois condutores diferentes quando a corrente elétrica flui através deles Peltier em 1834. O próprio Peltier não entendeu a essência do fenômeno. Lenz o explicou em 1838. Lenz conduziu o seguinte experimento; Ele colocou uma gota d'água no recesso na junção das hastes de bismuto e antimônio. Se uma corrente passasse em uma direção, a água congelava; se uma corrente passasse na direção oposta, o gelo resultante derreteu. Assim, constatou-se que quando uma corrente elétrica passa pelo contato de dois condutores, além do calor Joule, calor adicional é liberado ou absorvido (isso depende da direção da corrente). Este calor é chamado de calor Peltier. O processo de liberação (absorção) de calor adicional no contato de dois condutores é denominado "Fenômeno Peltier". O calor Peltier é proporcional à primeira potência da intensidade da corrente e muda de sinal quando a direção da corrente muda. Foi descoberto empiricamente que o calor Peltier ($Q_P$) pode ser expresso usando a fórmula:

onde $q$ é a carga, $П$ é o coeficiente de Peltier, que depende dos materiais de contato e de sua temperatura. $Q_P>0$ se estiver alocado.

Explicação do efeito Peltier na teoria clássica

A teoria eletrônica clássica da condutividade interpretou o fenômeno Peltier da seguinte forma: elétrons que são transferidos por corrente de um metal para outro são acelerados ou desacelerados sob a influência da diferença de potencial de contato interno entre os metais. Num caso, a energia cinética dos elétrons aumenta e é então liberada como calor. Noutro caso, a energia cinética diminui, e esta diminuição é reposta devido às vibrações térmicas dos átomos, resultando no arrefecimento.

Seria de se esperar que o coeficiente do efeito Peltier fosse igual à diferença de potencial de contato, mas não é o caso. De acordo com a teoria clássica, a energia cinética média do movimento térmico dos elétrons em contato com os metais é considerada a mesma, mas não é assim. O fato é que as posições dos níveis de Fermi em diferentes metais são diferentes. A teoria clássica leva em consideração apenas a diferença nas energias potenciais nos diferentes lados da interface metálica, enquanto considera que as energias cinéticas dos elétrons são as mesmas. No entanto, deve-se levar em conta a mudança na energia total de um elétron quando transferido de um metal para outro.

Para a maioria dos pares de condutores, o coeficiente Peltier tem um valor da ordem de $(10)^(-2)-\ (10)^(-3)V$ (volts).

Efeito Peltier para semicondutores

O efeito Peltier, como todos os fenômenos termiônicos, é especialmente pronunciado em circuitos eletrônicos e semicondutores de furo.

Suponhamos que haja um contato entre um semicondutor furado e um eletrônico, e a corrente flua do condutor furado para o eletrônico. Nesse caso, os buracos em um semicondutor buraco e os elétrons em um semicondutor eletrônico se moverão um em direção ao outro. Os elétrons, das zonas livres do semicondutor eletrônico, passando pela interface, entram na zona preenchida do semicondutor buraco e ali se aniquilam com o buraco. Como consequência dessa recombinação, é liberada energia, que é liberada na forma de calor no contato do semicondutor.

Vamos considerar o caso em que a corrente flui de um semicondutor eletrônico para um semicondutor vazio. Nesse caso, os elétrons em um semicondutor eletrônico e os buracos em um semicondutor vazio se movem em direções opostas. Os buracos que se movem da interface do semicondutor são reabastecidos como resultado da formação de novos pares durante a transição dos elétrons da zona preenchida do semicondutor de buracos para a zona livre. A formação de tais pares requer energia, que é fornecida pelas vibrações térmicas dos átomos da rede. Sob a influência de um campo elétrico, os elétrons e buracos resultantes se movem em direções opostas. O nascimento contínuo de novos pares ocorre enquanto a corrente flui através do contato. Como resultado deste processo, o calor é absorvido.

Nota 1

O fenômeno Peltier em semicondutores é usado em dispositivos de resfriamento.

Calor Joule-Lenz e calor Peltier

Deve-se notar que entre o fenômeno Peltier e a liberação de calor Joule-Lenz existem diferenças significativas. A quantidade de calor liberada de acordo com a lei de Joule-Lenz ($Q\sim I^2$) não depende da direção da corrente. O calor liberado (ou absorvido) como resultado do efeito Peltier é proporcional à primeira potência da corrente ($Q_P\sim I$) e muda de sinal quando a direção da corrente muda. Além disso, o calor de Joule-Lenz depende da resistência do condutor, mas o calor de Peltier não depende dele.

Normalmente, o calor Peltier é significativamente menor que o calor Joule-Lenz. Para revelar o efeito especificamente do fenômeno Peltier, o calor de Joule-Lenz deve ser reduzido tanto quanto possível, utilizando condutores grossos com resistência mínima.

Exemplo 1

O número de elétrons (N) que passa por uma área unitária perpendicular à direção da corrente em $1 s$ é igual a:

onde $j$ é a densidade de corrente, $q_e\ $ é a carga do elétron.

A energia de um elétron é igual à soma de suas energias cinética ($E_k$) e potencial ($E_p=-q_e\varphi $). Se $\left\langle E_k\right\rangle $ denota a energia média para N elétrons, então o fluxo de energia ($P$) é igual a:

onde $\left\langle E_k\right\rangle \ne \frac(3)(2)$ kT-- não é igual à energia cinética média de um gás de elétrons em equilíbrio, o que pode ser explicado pelo fato de que no caso de um gás degenerado, nem todos os elétrons podem ser acelerados pelo campo elétrico.

Considere os condutores 1 e 2 à mesma temperatura. Para cada unidade de superfície de contato no condutor 1, energia $P_1$ é fornecida por unidade de tempo, e energia igual a $P_2$ é removida no condutor 2. Os valores potenciais em ambos os lados do plano de contato são iguais a $(\varphi )_1$ e $(\varphi )_2$. Além disso, $(\varphi )_1$ $\ne $ $(\varphi )_2$. Além disso, no caso geral, temos que:

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

Para manter a temperatura de contato sem alterações, de cada unidade de superfície por unidade de tempo é necessário retirar (ou fornecer) energia igual a $P_1-P_2.\ $Da expressão (1.3) segue-se que:

Isso significa que o calor Peltier ($Q_p$) é liberado (ou absorvido). Se $S$ for a área das superfícies de contato, então o calor de Peltier é igual a:

\É\esquerda(1,5\direita),\]

onde $I=jS$ é a força atual. Sabemos que o calor Peltier é expresso como:

Ou para o nosso caso, a partir da expressão (1.7) podemos escrever:

Vamos comparar a expressão (1.7) e a fórmula (1.5) e obter a seguinte expressão para o coeficiente de Peltier:

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

Como estamos interessados no calor no contato e não consideramos o calor de Joule-Lenz no volume, então na fórmula (1.5) $P_1\ e\ P_2$ devem ser entendidos como seus valores no plano de contato em si. Isso significa que a expressão $(\varphi )_1-\ (\varphi )_2=U_(i12)$ é um salto de potencial de contato.

Se o gás de elétrons nos condutores não for degenerado, então todos os elétrons serão acelerados pelo campo. A distribuição do momento é descrita pela lei de Maxwell e depende apenas da temperatura, então $\left\langle E_(k2)\right\rangle =\left\langle E_(k1)\right\rangle $, portanto:

\[P_(12)=ts_1-\ts_2=U_(i12).\ \]

Neste caso, o coeficiente Peltier é igual ao salto de potencial do contato, enquanto o calor Peltier é igual ao trabalho realizado pela corrente devido à diferença de tensão.

Era isso que precisava ser mostrado.

Exemplo 2

Tarefa: Qual é o coeficiente de Peltier à temperatura T = 0 K (o caso de um gás de elétrons altamente degenerado)?

Em um estado de forte degeneração (T = 0 K), todos os estados quânticos na banda de condução com energia menor que o nível de Fermi são completamente ocupados por elétrons. Neste caso, apenas elétrons que possuem energia igual à energia de Fermi podem ser acelerados pelo campo (para uma primeira aproximação, tomamos a energia de Fermi igual ao potencial químico $\mu $). Portanto, na fórmula do coeficiente Peltier, que obtivemos no exemplo anterior:

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

por $\left\langle E_(k2)\right\rangle \ e\ \left\langle E_(k1)\right\rangle $ devemos entender as energias cinéticas máximas dos elétrons e assumir que:

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

Por outro lado, sabemos que:

Vamos substituir as expressões (2.3) e (2.2)

na fórmula (2.1), obtemos:

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

Resposta: Quando $T$=0 $K$, $П_(12)=0\ В.$

Início do século XIX. A Era de Ouro da Física e da Engenharia Elétrica. Em 1834, o relojoeiro e naturalista francês Jean-Charles Peltier colocou uma gota de água entre eletrodos de bismuto e antimônio e depois passou uma corrente elétrica pelo circuito. Para sua surpresa, ele viu que a gota congelou de repente.

O efeito térmico da corrente elétrica nos condutores era conhecido, mas o efeito oposto era semelhante à magia. Pode-se compreender os sentimentos de Peltier: este fenômeno na junção de duas áreas diferentes da física - termodinâmica e eletricidade - ainda hoje evoca uma sensação de milagre.

O problema do resfriamento naquela época não era tão grave como é hoje. Portanto, o efeito Peltier só foi ativado quase dois séculos depois, quando surgiram dispositivos eletrônicos, cuja operação exigia sistemas de refrigeração em miniatura. Dignidade Elementos de resfriamento Peltier são pequenas dimensões, ausência de partes móveis, possibilidade de conexão em cascata para obter grandes diferenças de temperatura.

Além disso, o efeito Peltier é reversível: quando a polaridade da corrente que passa pelo módulo é alterada, o resfriamento é substituído pelo aquecimento, de forma que sistemas para manutenção precisa da temperatura - termostatos - podem ser facilmente implementados nele. A desvantagem dos elementos Peltier (módulos) é sua baixa eficiência, o que requer o fornecimento de grandes valores de corrente para obter uma diferença de temperatura perceptível. Também é difícil remover o calor da placa oposta ao plano resfriado.

Mas primeiro as primeiras coisas. Primeiro, vamos tentar considerar os processos físicos responsáveis pelo fenômeno observado. Sem mergulhar no abismo dos cálculos matemáticos, tentaremos simplesmente compreender a natureza deste interessante fenômeno físico.

Como se trata de fenômenos de temperatura, os físicos, para conveniência da descrição matemática, substituem as vibrações da rede atômica do material por um determinado gás constituído por partículas - os fônons.

A temperatura do gás fônon depende da temperatura ambiente e das propriedades do metal. Então, qualquer metal é uma mistura de gases de elétrons e fônons que estão em equilíbrio termodinâmico. Quando dois metais diferentes entram em contato na ausência de um campo externo, o gás de elétrons “mais quente” penetra na zona do “mais frio”, criando. a conhecida diferença de potencial de contato.

Ao aplicar uma diferença de potencial à transição, ou seja, Quando a corrente flui através da fronteira de dois metais, os elétrons retiram energia dos fônons de um metal e a transferem para o gás fônon do outro. Quando a polaridade muda, a transferência de energia, que significa aquecimento e resfriamento, muda de sinal.

Nos semicondutores, os elétrons e “buracos” são responsáveis pela transferência de energia, mas o mecanismo de transferência de calor e o aparecimento de uma diferença de temperatura permanecem os mesmos. A diferença de temperatura aumenta até que os elétrons de alta energia se esgotem. O equilíbrio de temperatura ocorre. Esta é a imagem moderna da descrição Efeito Peltier.

A partir disso fica claro que eficiência do elemento Peltier depende da seleção do par de materiais, da intensidade da corrente e da taxa de remoção de calor da zona quente. Para materiais modernos (geralmente semicondutores), a eficiência é de 5 a 8%.

E agora sobre a aplicação prática do efeito Peltier. Para aumentá-lo, termopares individuais (junções de dois materiais diferentes) são montados em grupos compostos por dezenas e centenas de elementos. O principal objetivo de tais módulos é resfriar pequenos objetos ou microcircuitos.

Módulo de resfriamento termoelétrico

Os módulos de efeito Peltier são amplamente utilizados em dispositivos de visão noturna com uma variedade de receptores infravermelhos. Os chips de dispositivos de carga acoplada (CCDs), que também são usados em câmeras digitais hoje, exigem resfriamento profundo para gravar imagens na região infravermelha. Os módulos Peltier resfriam detectores infravermelhos em telescópios, elementos ativos de lasers para estabilizar a frequência de radiação e em sistemas de tempo de precisão. Mas estas são todas aplicações militares e para fins especiais.

Recentemente, os módulos Peltier encontraram aplicação em produtos domésticos. Principalmente em tecnologia automotiva: condicionadores de ar, geladeiras portáteis, bebedouros.

Um exemplo do uso prático do efeito Peltier

A aplicação mais interessante e promissora de módulos é a tecnologia de informática. Microprocessadores, processadores e chips de placas de vídeo de alto desempenho geram grandes quantidades de calor. Para resfriá-los, são utilizados ventiladores de alta velocidade, que criam ruído acústico significativo. O uso de módulos Peltier como parte de sistemas de resfriamento combinados elimina ruídos com extração significativa de calor.

USB compacto -geladeira usando módulos Peltier

E, finalmente, uma pergunta lógica: os módulos Peltier substituirão os sistemas de refrigeração usuais em refrigeradores domésticos de compressão? Hoje isto não é rentável em termos de eficiência (baixa eficiência) e preço. O custo de módulos poderosos ainda é bastante alto.

Mas a tecnologia e a ciência dos materiais não param. É impossível excluir a possibilidade do surgimento de novos materiais mais baratos, com maior eficiência e alto coeficiente de Peltier. Já hoje existem relatórios de laboratórios de pesquisa sobre as propriedades surpreendentes dos materiais de nanocarbono que podem mudar radicalmente a situação com sistemas de refrigeração eficazes.

Houve relatos da alta eficiência termoelétrica de clastratos - soluções sólidas semelhantes em estrutura aos hidratos. Quando esses materiais saírem dos laboratórios de pesquisa, refrigeradores completamente silenciosos e com vida útil ilimitada substituirão nossos modelos domésticos habituais.

P.S. Uma das características mais interessantes tecnologia termoelétricaé que não só pode usar energia elétrica para obter calor e frio, mas também graças a ele podemos mas inicie o processo inverso e, por exemplo, obtenha energia elétrica a partir do calor.

Um exemplo de como você pode obter eletricidade a partir do calor usando um módulo termoelétrico () Veja isso vídeo:

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Andrey Povny

Geladeira efeito Peltier. O que é um elemento Peltier, sua estrutura, princípio de funcionamento e aplicação prática. Fatores que influenciam a eficiência do TEM

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