Geladeira efeito Peltier. O que é um elemento peltier, seu dispositivo, princípio de operação e aplicação prática. Fatores que afetam a eficiência do TEM

04.08.2020

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Inaugurado em 1834 por J. Peltier, que descobriu que quando a corrente passa por uma junção de dois condutores diferentes, a temperatura da junção muda. Em 1838, E. Kh. Lenz mostrou que com uma força de corrente suficientemente grande, pode-se congelar ou ferver uma gota de água depositada em uma junção mudando 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, chamado de calor Peltier Q p. Ao contrário do calor Joule, que é proporcional ao quadrado da corrente, o valor Q p proporcional à primeira potência da corrente.

Q p \u003d P. I. t.

t- tempo de fluxo atual,

EU- força atual.

P- Coeficiente de Peltier, um coeficiente de proporcionalidade, dependendo da natureza dos materiais que formam o contato. Conceitos teóricos permitem expressar o coeficiente de Peltier em função das características microscópicas dos elétrons de condução.

Coeficiente de Peltier P = T D uma, Onde Té a temperatura absoluta e Δ α - diferença de coeficientes termoelétricos de condutores. A direção da corrente determina se o calor Peltier é liberado ou absorvido.

A razão para o efeito é que, no caso de contato entre metais ou semicondutores, surge uma diferença de potencial de contato interna na interface. 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 de seu espectro de energia, concentração e mecanismos de espalhamento e é diferente em 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 portadores liberam excesso de energia cinética para a rede e o calor é liberado. Se durante a transição através do 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 o 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 repõem às suas custas.

Durante a transição dos elétrons de um semicondutor para um metal, a energia dos elétrons de condução do semicondutor é muito maior do que o nível de Fermi (veja energia de Fermi) do metal, e os elétrons cedem 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 microrefrigeradores em unidades de refrigeração.

Ministério da Educação e Ciência da Federação Russa

INSTITUIÇÃO EDUCACIONAL DO ORÇAMENTO DO ESTADO FEDERAL

FORMAÇÃO PROFISSIONAL SUPERIOR

“Universidade Estadual de Kursk”

Faculdade de Física e Matemática

Departamento de Nanotecnologia

Trabalho do curso

Sobre o tema: "Efeito Peltier"

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

Verificado por: Professor Associado Chelyshev S.Yu.

Introdução……………………………………………………………..3

1. A história da descoberta do efeito……..…………………………………………4

2. Justificativa teórica.…………………………………………… 6

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

4. Aplicações……………………………………………………….19

Conclusões…………………………………………………………….21

Lista de literatura usada………………………………..…..23

Introdução

Este trabalho dedica-se ao estudo de um fenômeno termoelétrico no qual o calor é liberado ou absorvido durante a passagem de uma corrente elétrica no ponto de contato (junção) de dois condutores diferentes - o efeito Peltier. Apresenta a história da descoberta deste fenômeno, descreve sua justificativa teórica, considera 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 tecnológico independente - a termoenergia, que trata tanto da conversão direta de energia térmica em energia elétrica quanto das questões de resfriamento e aquecimento termoelétrico. A história da descoberta dos fenômenos termoelétricos tem mais de 180 anos. Eles receberam uso prático apenas em meados do século 20, ou seja, 130 anos após sua descoberta. Atualmente, o fenômeno Peltier tem uma ampla aplicação prática. Por exemplo, é usado para resfriamento e controle de temperatura de lasers de diodo para estabilizar o comprimento de onda da radiação; em termostatos; em equipamentos ópticos; controlar o processo de cristalização; como aquecimento para fins de aquecimento. Difundido em tecnologia de computador; em dispositivos radioelétricos; em equipamentos médicos e farmacêuticos; em eletrodomésticos; em equipamentos climáticos; para refrigeração de bebidas; em instrumentos laboratoriais e científicos; em máquinas de gelo; em condicionadores de ar; receber eletricidade; em hidrômetros eletrônicos.

O objetivo deste trabalho é conhecer a história da descoberta do efeito Peltier, estudar seus fundamentos físicos, estudar os elementos baseados nesse fenômeno, desenvolver implementações técnicas do efeito e sistematizar o conhecimento adquirido.

1. História da descoberta.

Uma série de descobertas científicas na "grande década" do início do século XIX lançou as bases para o domínio da termoeletricidade, que certamente é a direção mais promissora na indústria de energia do futuro. As direções científicas nesta área estão em constante desenvolvimento, e os cientistas russos estão no centro desses estudos.

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

Doze anos depois (1834) após a descoberta de Seebeck, o "efeito Peltier" foi descoberto. Este efeito é o inverso do efeito Seebeck. Este fenômeno foi descoberto pelo físico francês, meteorologista Peltier Jean Charles Athanaz (Fig. 1). A física era seu hobby. Anteriormente, trabalhou como relojoeiro para a empresa A.L. Breguet, mas graças à herança recebida em 1815, Peltier pôde dedicar-se a experimentos no campo da física e à observação de fenômenos meteorológicos. Como Seebeck, Peltier não conseguiu interpretar corretamente os resultados de sua pesquisa. Em sua opinião, os resultados obtidos serviram como ilustração do fato de que, ao passar pelo circuito de correntes fracas, a lei universal de Joule-Lenz sobre a liberação de calor pela corrente que flui não funciona. Somente em 1838, a acadêmica de São Petersburgo Lents Emily Khristianovich (1804-1865) provou que o "efeito Peltier" é um fenômeno físico independente, consistindo na liberação e absorção de calor adicional nas junções do circuito durante a passagem de atual. Neste caso, a natureza do processo (absorção ou liberação) depende da direção da corrente. Em seu experimento, Lenz experimentou com uma gota de água colocada na junção de dois condutores (bismuto e antimônio). Quando uma corrente passava em uma direção, uma gota de água congelava e, quando a direção da corrente mudava, ela derretia. Assim, verificou-se 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 a relação entre eles. As relações termodinâmicas obtidas por Thomson lhe permitiram 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 - engenharia de energia térmica, que lida tanto com a conversão direta de energia térmica em energia elétrica (o efeito Seebeck) quanto as questões de resfriamento e aquecimento termoelétrico (o efeito Peltier). . No início do século XIX, o engenheiro alemão Altenkirch desenvolveu essa 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, é não é adequado para uso prático. E somente algumas décadas depois, principalmente através dos esforços do acadêmico A. Ioffe e da teoria de soluções sólidas por ele desenvolvidas, 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 liberada e seu sinal dependem do tipo de substâncias em contato, da direção e da força da corrente elétrica que flui.

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

Qp \u003d P 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 liberada Qp e seu sinal dependem do tipo de substâncias em contato, intensidade da corrente e tempo de sua passagem:

dQп = П12 I dt (2)

Aqui P12 = P1 – P2 é o coeficiente Peltier para um determinado contato, relacionado aos coeficientes Peltier absolutos P1 e P2 dos materiais de contato. Supõe-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, portanto: QП< 0, П12 < 0, П1 < П2. Очевидно, что П12 = – П21.

A dimensão do coeficiente de Peltier:

[P] SI = J / C = V.

Em vez de calor Peltier, uma quantidade física é frequentemente usada, definida como energia térmica liberada a cada segundo em um contato de área unitária. Esse valor, chamado de potência de liberação de calor, é determinado pela fórmula:

q P = П12 j , (3)

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

A dimensão desta quantidade:

SI = W/m2.

Arroz. 2. Esquema do experimento para medir o calor Peltier

(Cu - cobre, Bi - bismuto).

No esquema apresentado do experimento (Fig. 2) medindo o calor Peltier com a mesma resistência dos fios R (Cu + Bi) imersos nos calorímetros, o mesmo calor Joule será liberado em cada calorímetro, a saber, Q = R I2 t. O calor Peltier, por outro lado, será positivo em um calorímetro e negativo em 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 é fortemente dependente 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 de Peltier, que é uma importante característica técnica dos materiais, geralmente não é medido, mas calculado através do coeficiente de Thomson:

P = aT, (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 posterior 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, o que é chamado de Peltier aquecer. O grau de manifestação deste efeito 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 transportados pela 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 depois é liberada na forma de calor. No segundo caso, a energia cinética dos elétrons diminui e essa perda de energia é reabastecida devido às vibrações térmicas dos átomos do segundo condutor. O resultado é o resfriamento. Uma teoria mais completa não leva em conta a mudança na energia potencial durante a transferência de um elétron de um metal para outro, mas a mudança na energia total.

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

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

Arroz. 4. Absorção de calor Peltier (pino 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. 3 ilustra a situação quando no contato A (corrente flui de PS1 para PS2) o calor Peltier é liberado Qp (A) > 0, e no contato B (corrente é direcionada de PS2 para PS1) sua absorção é Qp (V)< 0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА >TELEVISÃO. Na Fig. 4, uma mudança no sinal da fonte muda a direção da corrente para o oposto: de PS2 para PS1 no contato A e de PS1 para PS2 no contato B. Assim, o sinal do calor Peltier muda e a relação entre o temperaturas de contato: Qp (A)< 0, ТА < ТВ .

O efeito Peltier, como muitos fenômenos termoelétricos, é especialmente pronunciado em circuitos compostos de semicondutores com condução eletrônica (tipo n) e de furo (tipo p). Tais semicondutores são chamados, respectivamente, de semicondutores do tipo n e p ou simplesmente semicondutores do tipo n e p. Considere a situação em que a corrente no contato vai do semicondutor de furo para o eletrônico. Nesse caso, elétrons e lacunas se movem um em direção ao outro e, encontrando-se, se recombinam. Como resultado da recombinação, a energia é liberada, que é liberada na forma de calor. Esta situação é considerada na Fig. 5, que mostra as bandas de energia (Ec - banda de condução, Ev - 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, Ev - banda de valência) ilustra a absorção de calor Peltier para o caso em que a corrente passa de n- para p-semicondutor.

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

Aqui, elétrons em semicondutores eletrônicos e buracos em buracos se movem em direções opostas, afastando-se da interface. A perda de portadores de corrente na região de fronteira é reabastecida devido à produção de elétrons e lacunas aos pares. A formação de tais pares requer energia, que é fornecida por vibrações térmicas dos átomos da rede. Os elétrons e lacunas resultantes são levados em direções opostas pelo campo elétrico. Portanto, enquanto a corrente flui através do contato, o nascimento de novos pares ocorre 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 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 permite criar elementos de resfriamento - módulos Peltier de potência relativamente alta.

O 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. oito.

Arroz. 8. Estrutura do módulo Peltier.

O módulo Peltier é um refrigerador termoelétrico composto por semicondutores tipo p e p conectados em série, formando junções p-n- e n-p. Cada uma dessas transições tem contato térmico com um dos dois radiadores. Como resultado da passagem de uma corrente elétrica de uma certa polaridade, forma-se uma diferença de temperatura entre os radiadores do módulo Peltier: um radiador funciona como um refrigerador, o outro radiador aquece e serve para remover o calor. Na fig. 9 mostra a aparência de um módulo Peltier típico.

Arroz. 9. Aparência do módulo Peltier.

Um módulo típico fornece uma diferença de temperatura significativa, que é de várias dezenas de graus. Com o resfriamento forçado apropriado do radiador de aquecimento, o segundo radiador - o refrigerador, permite atingir temperaturas negativas. Para aumentar a diferença de temperatura, é possível a conexão em cascata dos módulos termoelétricos Peltier, desde que devidamente resfriados. Isso permite meios relativamente simples de obter uma diferença de temperatura significativa e garantir um resfriamento eficaz dos elementos protegidos. Na fig. 10 mostra um exemplo de uma conexão em cascata de módulos Peltier típicos.

Arroz. 10. Um exemplo de conexão em cascata de módulos Peltier

Os dispositivos de resfriamento baseados em módulos Peltier são frequentemente chamados de resfriadores Peltier ativos ou simplesmente resfriadores Peltier (Fig. 11). O uso de módulos Peltier em resfriadores ativos os torna significativamente mais eficientes do que os tipos padrão de resfriadores baseados em dissipadores de calor e ventiladores tradicionais. No entanto, no processo de projeto e uso de coolers com módulos Peltier, é necessário levar em consideração uma série de características específicas decorrentes do design dos módulos, seu princípio de funcionamento, a arquitetura do hardware do computador moderno e a funcionalidade do sistema. e softwares aplicativos.

Arroz. 11. Aparência do cooler com o módulo Peltier

A principal característica do dispositivo de resfriamento termoelétrico é a eficiência de resfriamento:

Z = a2/(rl), (5)

onde a é o coeficiente de termopotência; r é a resistividade; l é a condutividade térmica específica do semicondutor.

O parâmetro Z é uma função da temperatura e concentração de portadores de carga, e para cada temperatura dada existe um valor de concentração ótimo no qual o valor de Z é máximo. A introdução de certas impurezas em um semicondutor é o principal meio disponível para alterar seus indicadores (a, r, l) na direção desejada. Modernos dispositivos de resfriamento termoelétricos proporcionam redução de temperatura de +20°C a 200°C; sua capacidade de resfriamento, como regra, não é superior a 100 W.

Os módulos Peltier usados como parte dos meios eletrônicos de resfriamento são caracterizados por uma confiabilidade relativamente alta e, ao contrário dos refrigeradores tradicionais, não possuem partes móveis. E, como observado acima, para aumentar a eficiência de seu trabalho, eles permitem o uso em cascata, o que possibilita levar a temperatura das caixas dos elementos eletrônicos protegidos a valores negativos, mesmo com sua significativa potência de dissipação. Além disso, o módulo é reversível, ou seja, quando a polaridade DC é invertida, as placas quentes e frias são invertidas.

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

Os módulos Peltier, que geram uma grande quantidade de calor durante sua operação, requerem a presença de dissipadores de calor e ventiladores apropriados no cooler que possam efetivamente remover o excesso de calor dos módulos de resfriamento. Os módulos termoelétricos são caracterizados por um coeficiente de desempenho (COP) relativamente baixo e, desempenhando as funções de uma bomba de calor, são eles próprios poderosas fontes de calor. O uso desses módulos como parte de meios de resfriamento para componentes eletrônicos de computadores 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 dentro do gabinete cria dificuldades de trabalho não apenas para os elementos protegidos e seus sistemas de refrigeração, mas também para o restante dos componentes do computador. Além disso, os módulos Peltier são uma carga adicional relativamente poderosa para a fonte de alimentação. Levando em consideração o valor do consumo de corrente dos módulos Peltier, a potência da fonte de alimentação do computador deve ser de pelo menos 250 W. Tudo isso leva à conveniência de escolher placas-mãe e gabinetes ATX com fontes de alimentação de potência suficiente. O uso dessa construção torna mais fácil para os componentes do computador organizar os modos térmicos e elétricos ideais.

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

As baixas temperaturas que ocorrem durante o funcionamento dos refrigeradores Peltier com excesso de potência contribuem para a condensação da umidade do ar. Isso representa um perigo para os componentes eletrônicos, pois a condensação pode causar curtos-circuitos entre os elementos. Para eliminar esse perigo, é aconselhável usar refrigeradores Peltier de potência ideal. Se a condensação ocorre ou não depende de vários parâmetros. As 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 maior a umidade, maior a probabilidade de condensação de umidade e a subsequente falha dos componentes eletrônicos do computador.

Além dessas características, 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 permitem uma mudança no consumo de energia dependendo da carga do processador. Isso permite otimizar o consumo de energia. Em condições normais, a otimização do processador e seu consumo de energia têm um efeito benéfico tanto no regime térmico do próprio processador quanto no equilíbrio térmico geral. No entanto, deve-se notar que os modos com mudança periódica no consumo de energia podem não ser bem combinados com os meios de resfriamento de processadores usando módulos Peltier. Isso se deve ao fato de que os refrigeradores Peltier existentes geralmente são projetados para operação contínua.

Arroz. 12. Processador com módulo Peltier

Alguns problemas também podem surgir como resultado da operação de várias 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 permitem alterar a velocidade das ventoinhas de resfriamento por meio do hardware integrado da placa-mãe. Em condições normais, isso melhora muito o comportamento térmico do processador do computador. No entanto, no caso de utilizar os refrigeradores Peltier mais simples, uma diminuição na velocidade de rotação pode levar a uma deterioração do regime térmico com resultado fatal para o processador já devido ao seu superaquecimento pelo módulo Peltier operacional, que, além de desempenhando as funções de uma bomba de calor, é uma poderosa fonte de calor adicional.

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

Para eliminar problemas com modos de energia variável que causam condensação de umidade do ar e possível hipotermia e, em alguns casos, até superaquecimento de elementos protegidos, como processadores de computador, você deve se recusar a usar esses modos e vários funções. No entanto, como alternativa, você pode usar sistemas de refrigeração que fornecem controles inteligentes para refrigeradores Peltier. Tais ferramentas podem controlar não apenas a operação dos ventiladores, mas também alterar os modos de operação dos próprios módulos termoelétricos usados nos resfriadores ativos.

Trabalhos no sentido de melhorar os sistemas para garantir condições ideais de temperatura para elementos eletrônicos estão sendo realizados por muitos laboratórios de pesquisa. E sistemas de refrigeração envolvendo o uso de módulos termoelétricos Peltier são considerados extremamente promissores.

4. Aplicações.

As principais áreas de uso prático do efeito Peltier em semicondutores são: obtenção de frio para criar dispositivos de resfriamento termoelétricos, aquecimento para fins de aquecimento, controle de temperatura, controle do processo de cristalização sob condições de temperatura constante. Os 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, por algum tempo permitirá obter uma capacidade de refrigeração muito superior à placa de identificação. 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 usado. No entanto, regimes não estacionários não têm sido amplamente utilizados.

Devido à reversibilidade dos efeitos termoelétricos, os TEMs também podem ser usados como geradores termoelétricos (TEGs). Longe das conveniências da civilização, esta pode ser uma das poucas fontes disponíveis de energia elétrica, por exemplo, para recarregar baterias ou alimentar diretamente equipamentos eletrônicos ou outros dispositivos. Dispositivos são amplamente utilizados em que uma diferença de temperatura é criada entre o invólucro metálico externo, aquecido por um fogo aberto (fogueira), e o invólucro interno, resfriado 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 balanço de calor para TEG é qualitativamente diferente do TEM baseado no efeito Peltier, e este efeito (junto com o calor Joule) faz apenas uma pequena porcentagem da contribuição total, o que requer uma ênfase completamente diferente no projeto do TEG. Os TEGs são amplamente utilizados na tecnologia espacial, onde a temperatura do lado "quente" é mantida por uma fonte de radioisótopos. Marcapassos implantados no corpo humano também são equipados com um TEG com uma fonte de radioisótopos para criar uma diferença de temperatura.

Além disso, os elementos Peltier são frequentemente usados para resfriamento e controle de temperatura de lasers de diodo para estabilizar o comprimento de onda da radiação. Em aparelhos onde a potência de resfriamento é baixa, os elementos Peltier são frequentemente usados como o segundo ou terceiro estágio de resfriamento. Isso 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. Ao realizar um dos 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 cobre-bismuto aquece e o outro esfria. O próprio Peltier não entendeu completamente a essência do fenômeno que descobriu. O verdadeiro significado do fenômeno foi explicado mais tarde em 1838 por Lenz. Em seu experimento, Lenz experimentou com uma gota de água colocada na junção de dois condutores (bismuto e antimônio). Quando uma corrente passava em uma direção, uma gota de água congelava e, quando a direção da corrente mudava, ela derretia. Assim, verificou-se que quando a corrente passa pelo contato de dois condutores, o calor é liberado em uma direção e absorvido na outra. Esse 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. No caso da aceleração, a energia cinética dos elétrons aumenta e então é liberada na forma de calor. No caso oposto, a energia cinética diminui e a energia é reabastecida devido à energia das vibrações térmicas dos átomos do segundo condutor, assim, começa a esfriar. Uma consideração mais completa leva em conta a mudança não apenas no potencial, mas também na energia total.

Módulos Peltier (elementos) foram criados com base no efeito Peltier. Eles consistem em um ou mais pares de pequenos paralelepípedos semicondutores, que são conectados em pares usando jumpers de metal. Os jumpers de metal 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 uma conexão serial de muitos pares de semicondutores com diferentes tipos de condutividade é formada, de modo que no topo haja uma sequência de conexões (n-\u003e p), e abaixo eles são oposto (p-\u003e n). A corrente elétrica flui sequencialmente através de todos os paralelepípedos. Dependendo da direção da corrente, os contatos superiores são resfriados e os inferiores são aquecidos - ou vice-versa. Assim, a corrente elétrica transfere calor de um lado do elemento Peltier para o lado oposto e cria uma diferença de temperatura.

Os elementos Peltier de vários estágios são usados para resfriar os receptores de radiação em sensores infravermelhos. Atualmente, estão sendo realizados experimentos na incorporação de módulos Peltier em miniatura diretamente em microcircuitos de processador para resfriar suas estruturas mais críticas. Esta solução contribui para uma melhor refrigeração ao reduzir a resistência térmica e pode aumentar significativamente a frequência de operação e desempenho dos processadores.Assim, a descoberta do efeito Peltier teve grande influência no desenvolvimento posterior 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.

Efeito Seebeck - o fenômeno da ocorrência de EMF em um circuito elétrico fechado, consistindo de condutores dissimilares 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 investigada alguns anos depois - em 1838 por Lenz, que realizou um experimento no qual colocou uma gota de água em um recesso na 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 surgindo sob condições de diferença de temperatura”, publicado nos relatórios da Academia Prussiana de Ciências

Eu estava interessado neste tópico porque os elementos inventados no século 19 ainda são efetivamente usados em dispositivos modernos. Apesar do fato de que em cada caso um elemento com os parâmetros necessários é selecionado, a teoria e as fontes dizem que os elementos são intercambiáveis. Goste 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 operação dos elementos criados com base neles é acessível para compreensão no âmbito do estudo de um curso de física escolar. Entretanto, esses efeitos não são mencionados no curso de física escolar. Este trabalho, além de seu valor aplicado, também tem um importante aspecto metodológico associado à inclusão de descrições de diversas realizações científicas no curso escolar.

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

Propósito do estudo: identificando as características distintivas do efeito Peltier e do efeito Seebeck quando usado nas direções para frente e para trás.

Objetivos de pesquisa:

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

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

Crie uma configuração para o experimento.

Conduza uma série de experimentos para testar a hipótese.

Analise os resultados do experimento e conclua se a hipótese foi confirmada ou não.

Objeto de estudo: Elemento Peltier e elemento Seebeck.

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

Métodos de pesquisa

Os seguintes métodos foram usados no estudo:

1. Teórico:

Análise de fontes de informação sobre a história da descoberta dos efeitos Peltier e Seebeck considerados no trabalho,

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

Análise dos dados experimentais obtidos.

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

2. Empírico:

Conduzindo uma série de experimentos para testar a hipótese.

Este estudo é aplicado. Os resultados do estudo darão uma resposta sobre a eficácia da possibilidade de intercambialidade dos elementos Peltier e Seebeck.

Análise de origem

Ao descrever os efeitos em estudo, todas as fontes mencionam que existe um “efeito Peltier e seu efeito inverso, o chamado efeito Seebeck”, enquanto o efeito inverso de Seebeck não é mencionado. No decorrer deste trabalho, além de descobrir os efeitos Pelte direto e inverso e comparar o efeito Peltier inverso com o efeito Seebeck direto, verificaremos a existência do efeito Seebeck inverso.

A relevância do tema em estudo é evidenciada pela atenção dispensada ao estudo desses efeitos por livros didáticos estrangeiros. Eles dão não apenas uma descrição dos efeitos em consideração, mas também sua explicação, bem como falam sobre sua aplicação.

O site do fabricante russo de equipamentos educacionais LLC 3B Scientific oferece uma instalação de laboratório do Efeito Seebeck no valor de 229.873,00 rublos. , que é acompanhado por um desenvolvimento metodológico. Após estudá-lo, chegamos à conclusão de que tal experimento pode ser realizado em equipamentos que não exigem custos tão altos.

Parte principal 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 suas funções.

Quando um lado é aquecido e o outro lado é resfriado, esse elemento pode gerar eletricidade. E também este elemento tem o efeito contrário, ou seja, quando este elemento está ligado à eletricidade, um lado vai esfriar e o outro vai esquentar.

A razão para a ocorrência do fenômeno Peltier é a seguinte. No contato de duas substâncias há uma diferença de potencial de contato, que cria um campo de contato interno. Se uma corrente elétrica fluir através do contato, esse campo facilitará a passagem da corrente ou a impedirá. Se a corrente for contra o campo de contato, a fonte externa deve consumir energia adicional que é liberada no contato, o que levará ao seu aquecimento. Se a corrente vai na direção do campo de contato, ela pode ser suportada por esse campo, que faz o trabalho de mover as cargas. A energia necessária para isso é retirada da substância, o que leva ao seu resfriamento no ponto de contato.

Efeito Seebeck

Efeito Seebeck - o fenômeno da ocorrência de EMF em um circuito elétrico fechado, consistindo de condutores dissimilares conectados em série, cujos contatos estão em diferentes temperaturas.

Se houver um gradiente de temperatura ao longo do condutor, os elétrons na extremidade quente adquirem energias e velocidades mais altas do que na extremidade fria; em 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, enquanto 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, devido ao qual o equilíbrio é estabelecido.

A EMF, cuja ocorrência é descrita por esse mecanismo, é chamada de EMF volumétrica.

Características dos elementos Peltier e Seebeck

A principal característica desses elementos é que o elemento Peltier tem o efeito oposto, mas o elemento Seebeck não. E isso apesar do fato de que o efeito reverso do elemento Peltier é o efeito do elemento Seebeck.

Como resultado, o efeito Seebeck tem sido amplamente utilizado em vários campos.

O elemento Peltier é exatamente o oposto dos dispositivos baseados no efeito Seebeck. Neste caso, pelo contrário, sob a ação de uma corrente elétrica, uma diferença de temperatura é formada nas plataformas 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 assume o estado oposto.

Este efeito ocorre em dois condutores diferentes com a mesma condutividade. Em cada um deles, os elétrons têm um valor de energia diferente e estão localizados a uma distância muito próxima entre si. Como resultado, haverá uma transferência de cargas de um meio para outro, e elétrons com maior energia no contexto de níveis baixos cederão o excesso para a rede cristalina, causando aquecimento. Com a falta de 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 usados para criar sensores térmicos, geradores termoelétricos, e também são usados em computadores para melhorar o resfriamento do processador.

Atualmente, o efeito Seebeck é utilizado em sensores integrados, nos quais os pares de materiais apropriados 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 suficientemente grande, detectores termoelétricos altamente sensíveis são feitos com base nele.

Uma das limitações significativas que surgem ao usar um conversor termoelétrico é o baixo fator de eficiência - 3-8%. Mas se não for possível conduzir linhas de energia padrão e a carga na rede for considerada pequena, o uso de geradores termoelétricos será totalmente justificado. De fato, os dispositivos baseados no efeito Seebeck podem ser usados em diversas áreas:

1. Fonte de alimentação de tecnologia espacial;

2. Fornecimento de equipamentos de gás e petróleo;

3. Geradores domésticos;

4. Sistemas de navegação marítima;

5. Sistemas de aquecimento;

6. Aproveitamento do calor residual do veículo;

7. Conversores de energia solar;

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

O efeito Peltier é usado em duas situações: quando é necessário trazer calor para a junção de materiais ou removê-lo, o que é feito mudando o sentido da corrente. Esta propriedade encontrou sua aplicação em dispositivos onde é necessário um controle preciso da temperatura. Os elementos Peltier são usados em situações em que é necessário um resfriamento com uma pequena diferença de temperatura ou a eficiência energética do resfriador não é importante. Por exemplo, os elementos Peltier são usados em refrigeradores de carros pequenos, pois o uso de um compressor neste caso é impossível devido às dimensões limitadas e, além disso, a capacidade de refrigeração necessária é pequena.

Além disso, os elementos Peltier são usados para resfriar dispositivos de carga acoplada em câmeras digitais. Devido a isso, uma redução notável no ruído térmico é alcançada durante longas exposições (por exemplo, em astrofotografia). Os elementos Peltier de vários estágios são usados para resfriar os 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. Em informática;

3. Em dispositivos radioelétricos;

4. Em equipamentos médicos e farmacêuticos;

5. Em eletrodomésticos;

6. Em equipamentos climáticos;

7. Em termostatos;

8. Em equipamentos ópticos;

9. Controlar o processo de cristalização;

10. Como aquecimento para fins de aquecimento;

11. Para refrigeração de bebidas;

12. Em instrumentos laboratoriais e científicos;

13. Em máquinas de gelo;

14. Em condicionadores de ar;

15. Gerar eletricidade;

16. Em hidrômetros eletrônicos.

É claro que os dispositivos de resfriamento Peltier dificilmente são adequados para uso em massa. Eles são bastante caros e exigem operação adequada. Hoje é mais uma ferramenta para fãs de processadores de overclock. No entanto, se for necessário um forte resfriamento do processador, os coolers Peltier são os dispositivos mais eficientes.

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

Descrição da configuração experimental

Para o experimento, foi criado um setup que permite obter os dados necessários.

Para reduzir a troca de calor com o ambiente, é necessário criar um termostato. Na montagem experimental isto foi conseguido com a ajuda de materiais isolantes térmicos utilizados na 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 de umidade foram usadas como banho. A impermeabilização dos elementos é conseguida com uma pistola de cola.

Para o experimento, foram selecionados elementos Peltier e Seebeck com características semelhantes: tensão de operação e potência.

Multímetros foram usados como instrumentos de medição para a fixação da temperatura.

O valor da tensão também foi obtido com um multímetro ou voltímetro.

Método do experimento

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

As leituras dos sensores de temperatura foram registradas em uma tabela (Anexo 1), a partir da qual foram construídos gráficos da dependência da tensão em relação à temperatura.

Cada experiência foi realizada durante 7 - 10 minutos.

Resultados do experimento

Com base nos dados obtidos ao longo de quatro experimentos, foram construídos gráficos

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

Comparação do efeito Peltier direto e do efeito Seebeck inverso

Efeito Seebeck inverso

Como pode ser visto no gráfico, levando em consideração os erros associados às características de design do dispositivo (indicadas nas instruções), podemos supor que a temperatura não mudou durante o experimento, o que indica que o efeito inverso de Seebeck não foi registrado.

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

Efeito Peltier direto

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

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 reversos. O elemento Seebeck só pode ser usado na direção direta.

CONCLUSÃO

Ao trabalhar em um estudo baseado em fontes disponíveis, estudou-se a história e as características do efeito Peltier direto e inverso, o efeito Seebeck direto e inverso.

A criação de uma instalação eficiente permitiu realizar qualitativamente os experimentos planejados para confirmar a hipótese apresentada.

O estudo revelou as características distintivas do efeito Peltier e do efeito Seebeck quando usado nas direções para frente e para trás.

A suposição sobre a ausência do efeito inverso de Seebeck foi totalmente confirmada. Com base nessa afirmação, deve-se lembrar que elementos como os elementos Peltier e Seebeck são mais eficientes para serem utilizados para o fim a que se destinam, embora haja a possibilidade de utilizar o efeito Seebeck direto e o efeito Peltier inverso. Se houver semelhanças construtivas, no entanto, para atender à tecnologia, deve-se trabalhar com um efeito específico.

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

LISTA DE LITERATURA USADA

1. Landau L.D., Lifshits E.M. Física Teórica: Proc. subsídio: Para universidades. Em 10. t. T. VIII. Eletrodinâmica de meios contínuos. - 4ª ed., stereot.-m.: Fizmatlit, 2000. - 656 p.

2. Narkevich I.I. Física: Livro didático / I.I. Narkevich, E. I. Vomlyansky, S.I. Lobko. - Minsk: Novos conhecimentos, 2004. - 680 p.

3. Rowell G., Herbert S. Physics/Per. do inglês. ed. V.G. Razumovsky. - M.: Iluminismo, 1994. - 576 p.: ll.

4. Sivukhin S.D. Curso geral de física.- M.: Nauka, 1977.- V.3. Electricidade.- S.490-494.

5. Física: Enciclopédia./ Sob. Ed. Yu.V. Prokhorov. - M.: Grande Enciclopédia Russa, 2003. - 944 p.: il., 2 p. col.

6. Enciclopédia física, v. 5. Dispositivos estroboscópicos - brilho / Ch. ed. SOU. Prokhorov. Ed. Col.: D. M. Baldin, Grande Enciclopédia Russa, 1998. - 760 p.

7. Vladimir Lank, Miroslav Vondra. Fizika vs coquetel. - Ceska republika: FRAGMENT, 2000. - 120 p. Livro didático para o ensino médio, 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 Internacional de Bacharelado

9. 3bsite científico. [recurso eletrônico]// https://www.3bscientific.ru/laboratory-installation-seebeck-effect-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (acessado em 18 de fevereiro de 2018)

Anexo 1. Resultados dos experimentos

Experimento 1. Efeito Seebeck direto

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

Experimento 2. Efeito Peltier inverso

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

Experimento 3. Efeito Seebeck Inverso

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

Experimento 4. Efeito Peltier direto

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

Anexo 2. Foto da instalação

Definição 1

Foi publicado um artigo sobre anomalias de temperatura que são observadas nos limites de dois condutores diferentes quando uma corrente elétrica passa por eles Peltier em 1834. O próprio Peltier não entendeu a essência do fenômeno, foi explicado por Lenz em 1838. Lenz realizou o seguinte experimento. No recesso na junção das hastes de bismuto e antimônio, ele colocou uma gota de água. Se a corrente passasse em uma direção, a água congelaria, se a corrente fluísse na direção oposta, o gelo resultante derreteria. Assim, verificou-se que ao passar pelo contato de dois condutores de corrente elétrica, além do calor Joule, calor adicional é liberado ou absorvido (dependendo do sentido da corrente). Esse calor é chamado de calor Peltier. O processo de liberação (absorção) de calor adicional no contato de dois condutores é chamado de "Fenômeno Peltier". O calor Peltier é proporcional à primeira potência da corrente e muda de sinal quando a direção da corrente muda. Obteve-se empiricamente que o calor Peltier ($Q_P$) pode ser expresso usando a fórmula:

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

Explicação do efeito Peltier na teoria clássica

A teoria eletrônica clássica da condução interpretava o fenômeno Peltier da seguinte forma: elétrons que são transferidos por corrente de um metal para outro são acelerados ou desacelerados sob a influência de uma diferença de potencial de contato interno entre os metais. Em um caso, a energia cinética dos elétrons aumenta e então é liberada como calor. Em outro caso, a energia cinética diminui, e essa diminuição é reabastecida por vibrações térmicas dos átomos, resultando em resfriamento.

Seria de 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 metais é considerada a mesma, mas não é assim. A questão é que as posições dos níveis de Fermi em diferentes metais são diferentes. A teoria clássica leva em conta apenas a diferença de energias potenciais em 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 durante sua transferência 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 outros fenômenos termiônicos, é especialmente pronunciado em circuitos de semicondutores eletrônicos e de furos.

Vamos supor que haja um contato entre um semicondutor de orifício e um eletrônico, e a corrente flui do condutor de orifício para o eletrônico. Nesse caso, as lacunas em um semicondutor de lacuna e os elétrons em um semicondutor eletrônico se moverão um em direção ao outro. Os elétrons, tendo passado pela interface das zonas livres do semicondutor eletrônico, caem na zona preenchida do semicondutor do buraco e aniquilam-se com o buraco lá. Como consequência dessa recombinação, é liberada energia, que é liberada na forma de calor no contato dos semicondutores.

Considere o caso em que a corrente flui de um semicondutor eletrônico para um semicondutor. Nesse caso, os elétrons em um semicondutor eletrônico e as lacunas em um semicondutor de lacuna 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 de elétrons da zona preenchida do semicondutor do buraco 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 emergentes se movem em direções opostas. A criação contínua de novos pares continua 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 refrigeração.

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 Joule-Lenz depende da resistência do condutor, o calor Peltier não depende dele.

Normalmente, o calor Peltier é substancialmente menor que o calor Joule-Lenz. Para revelar o efeito do fenômeno Peltier, é necessário reduzir ao máximo o calor Joule-Lenz, usando condutores grossos com resistência mínima.

Exemplo 1

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

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:

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 é explicado pelo fato de que no caso de um gás degenerado, nem todos os elétrons podem ser acelerados por um campo elétrico.

Considere os condutores 1 e 2 na mesma temperatura. A energia $P_1$ é fornecida a cada unidade da superfície de contato no condutor 1 por unidade de tempo, e a 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 $(\varphi )_2$. E $(\varphi )_1$ $\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 inalterada a temperatura de contato 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 que:

Isso significa que o calor Peltier ($Q_p$) é liberado (ou absorvido). No caso de $S$ ser a área das superfícies de contato, o calor Peltier é igual a:

\It\left(1.5\right),\]

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

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

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

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

Como estamos interessados no calor no contato, e não consideramos o calor Joule-Lenz no volume, então na fórmula (1.5) deve-se entender por $P_1\ e\P_2$ seus valores próximos ao plano de contato em si. Então a expressão $(\varphi )_1-\ (\varphi )_2=U_(i12)$ é o salto potencial de contato.

Se o gás de elétrons nos condutores não é degenerado, então todos os elétrons são 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:

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

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

Que é o que precisava ser mostrado.

Exemplo 2

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

Em um estado de forte degenerescência (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 energias iguais à energia de Fermi podem ser acelerados pelo campo (na primeira aproximação, a energia de Fermi será tomada igual ao potencial químico $\mu $). Portanto, na fórmula do coeficiente de Peltier, que obtivemos no exemplo anterior:

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

em $\left\langle E_(k2)\right\rangle \ e\ \left\langle E_(k1)\right\rangle $ deve-se entender as energias cinéticas máximas dos elétrons e aceitar 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:

Substituímos as expressões (2.3) e (2.2)

na fórmula (2.1), obtemos:

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

Resposta: Para $T$=0 $K$, $P_(12)=0\V.$

Início do século 19. 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, em seguida, passou uma corrente elétrica pelo circuito. Para sua surpresa, ele viu que a gota de repente congelou.

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

O problema do resfriamento naquela época não era tão agudo quanto é hoje. Portanto, o efeito Peltier só foi abordado quase dois séculos depois, quando surgiram dispositivos eletrônicos que exigiam sistemas de refrigeração em miniatura para operar. Dignidade Elementos de resfriamento Peltier são pequenas dimensões, a ausência de partes móveis, a possibilidade de conexão em cascata para obter grandes diferenças de temperatura.

Além disso, o efeito Peltier é reversível: quando a polaridade da corrente através do módulo é invertida, o resfriamento é substituído pelo aquecimento, por isso é fácil implementar sistemas precisos de controle de temperatura - termostatos. A desvantagem dos elementos Peltier (módulos) é a baixa eficiência, que requer o fornecimento de grandes valores de corrente para obter uma diferença de temperatura perceptível. A remoção de calor da placa oposta ao plano resfriado também é difícil.

Mas as primeiras coisas primeiro. Para começar, vamos tentar considerar os processos físicos responsáveis pelo fenômeno observado. Sem mergulhar no abismo dos cálculos matemáticos, simplesmente tentaremos entender a natureza desse interessante fenômeno físico nos “dedos”.

Como estamos falando de fenômenos de temperatura, os físicos, para conveniência da descrição matemática, substituem as vibrações da rede atômica do material por um certo gás consistindo, por assim dizer, de partículas - 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, um gás de elétrons “mais quente” penetra em uma zona “mais fria”, criando um contato conhecido diferença potencial.

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

Nos semicondutores, elétrons e “buracos” são responsáveis pela transferência de energia, mas o mecanismo de transferência de calor e a aparência de uma diferença de temperatura são preservados. A diferença de temperatura aumenta até que os elétrons de alta energia sejam esgotados. Há um equilíbrio de temperatura. Esta é a imagem moderna da descrição Efeito Peltier.

Fica claro a partir dele que eficiência do elemento Peltier depende da seleção de um par de materiais, da força da corrente e da taxa de remoção de calor da zona quente. Para materiais modernos (como regra, são 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 desses módulos é o resfriamento de pequenos objetos ou microcircuitos.

Módulo de resfriamento termoelétrico

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

Recentemente, os módulos Peltier encontraram aplicação em produtos domésticos. Principalmente na tecnologia automotiva: condicionadores de ar, refrigeradores portáteis, refrigeradores de água.

Um exemplo do uso prático do efeito Peltier

A aplicação mais interessante e promissora dos módulos é a tecnologia computacional. Processadores de microprocessador de alto desempenho e chips de placa de vídeo geram muito calor. Para seu resfriamento, são usados ventiladores de alta velocidade, que criam ruído acústico significativo. O uso de módulos Peltier como parte de sistemas de refrigeração combinados elimina o ruído com extração de calor significativa.

USB compacto -frigorífico usando módulos Peltier

E, finalmente, uma pergunta lógica: os módulos Peltier substituirão os sistemas de refrigeração usuais em refrigeradores domésticos de compressão? Hoje 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 aparecimento de novos materiais mais baratos com alta eficiência e altos coeficientes de Peltier. Já hoje existem relatos de laboratórios de pesquisa sobre as incríveis propriedades dos materiais nano-carbono, que podem mudar radicalmente a situação com sistemas de refrigeração eficientes.

Há relatos de uma alta eficiência termoelétrica de clastratos - soluções sólidas semelhantes em estrutura aos hidratos. Quando esses materiais saem dos laboratórios de pesquisa, refrigeradores completamente silenciosos com vida útil ilimitada substituirão nossos modelos domésticos familiares.

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

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

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Andrey Povny

Geladeira efeito Peltier. O que é um elemento peltier, seu dispositivo, princípio de operação e aplicação prática. Fatores que afetam a eficiência do TEM

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