Ефект пельтьє холодильник. Пельтьє ефект у напівпровідниках. Як виготовити елементи Пельтьє для холодильника

Початок 19 сторіччя. Золотий вік фізики та електротехніки. У 1834 році французький годинникар і дослідник природи Жан-Шарль Пельтьє помістив краплю води між електродами з вісмуту і сурми, а потім пропустив по ланцюгу електричний струм. На свій подив, він побачив, що крапля зненацька замерзла.

Про тепловій діїелектричного струму на провідники було відомо, а ось зворотний ефект був схожий на магію. Можна зрозуміти почуття Пельтьє: це явище на стику двох різних областей фізики – термодинаміки та електрики викликає відчуття дива і сьогодні.

Проблема охолодження тоді не була такою гострою, як сьогодні. Тому до ефекту Пельтьє звернулися лише майже через два століття, коли з'явилися електронні пристрої, для роботи яких знадобилися мініатюрні системи охолодження. Перевагою охолоджуючих елементів Пельтьємалі габарити, відсутність рухомих деталей, можливість каскадного з'єднання для отримання великих перепадів температур.

Крім цього, ефект Пельтьє звернемо: при зміні полярності струму через модуль охолодження змінюється нагріванням, тому на ньому легко реалізуються системи точної підтримки температури - термостати. Недоліком елементів (модулів) Пельтьє є низький ККД, що вимагає підведення великих значень струму для отримання помітного перепаду температур. Складність представляє і відведення тепла від пластини, протилежної площині, що охолоджується.

Але про все гаразд. Для початку спробуємо розглянути фізичні процеси, відповідальні за явище, що спостерігається. Не занурюючись у вир математичних викладок, постараємося просто на «пальцях» зрозуміти природу цього цікавого фізичного явища.

Оскільки мова йдепро температурні явища, фізики, для зручності математичного описи, замінюють коливання атомної решітки матеріалу деяким газом, що складається з частинок - фононів.

Температура фононного газу залежить від температури довкіллята властивостей металу. Тоді будь-який метал - це суміш електронного та фононного газів, що знаходяться в термодинамічній рівновазі. При контакті двох різних металів без зовнішнього поля більш “гарячий” електронний газ проникає в зону більш “холодного”, створюючи відому всім контактну різницю потенціалів.

При прикладанні різниці потенціалів переходу, тобто. протікання струму через кордон двох металів, електрони забирають енергію у фононів одного металу і передають її фононного газу іншого. При зміні полярності передача енергії, отже, нагрівання та охолодження змінюють знак.

У напівпровідниках за перенесення енергії відповідають електрони та “дірки”, але механізм перенесення тепла та появи різниці температур зберігається. Різниця температур збільшується до тих пір, поки не вичерпаються високоенергетичні електрони. Настає температурна рівновага. Така сучасна картинаописи ефекту Пельтьє.

З неї зрозуміло, що ефективність роботи елемента Пельтьєзалежить від підбору пари матеріалів, сили струму та швидкості відведення тепла від гарячої зони. Для сучасних матеріалів (зазвичай, це напівпровідники) ККД становить 5-8%.

А тепер про практичне застосування ефекту Пельтьє.Для його збільшення окремі термопари (спаї двох різних матеріалів) збираються до груп, що складаються з десятків і сотень елементів. Основне призначення таких модулів – це охолодження невеликих об'єктів чи мікросхем.

Термоелектричний модуль, що охолоджує

Широке застосування модулі на ефект Пельтьє знайшли в приладах нічного бачення з матрицею інфрачервоних приймачів. Мікросхеми із зарядовим зв'язком (ПЗЗ), які сьогодні застосовують і в цифрових фотоапаратах, потребують глибокого охолодження для реєстрації зображення в інфрачервоній галузі. Модулі Пельтьє охолоджують інфрачервоні сенсори в телескопах, активні елементи лазерів для стабілізації частоти випромінювання, в системах точного часу. Але це все застосування військового та спеціального призначення.

З недавніх пір модулі Пельтьє знайшли застосування й у побутових виробах. Переважно в автомобільній техніці: кондиціонери, переносні холодильники, охолоджувачі води.

Приклад практичного використання ефекту Пельтьє

Найбільш цікавим та перспективним застосуванням модулів є комп'ютерна техніка. Високопродуктивні мікропроцесори процесори та чіпи відеокарт виділяють велика кількістьтепла. Для їхнього охолодження застосовують високошвидкісні вентилятори, які створюють значні акустичні шуми. Застосування модулів Пельтьє у складі комбінованих систем охолодження усуває шум при значному відборі тепла.

Компактний USB -холодильник з використанням модулів Пельтьє

І, нарешті, закономірне питання: чи замінять модулі Пельтьє звичні системи охолодження у компресійних побутових холодильниках? На сьогоднішній день це невигідно з точки зору ефективності (малий ККД) та ціни. Вартість потужних модулів ще досить висока.

Але техніка та матеріалознавство не стоять на місці. Виключити можливість появи нових, більш дешевих матеріалів з великим ККД та високим значеннямкоефіцієнтом Пельтьє не можна. Вже сьогодні з'являються повідомлення з дослідницьких лабораторій про дивовижні властивості навуглецевих матеріалів, які зможуть радикально змінити ситуацію з ефективними системами охолодження.

З'явилися повідомлення про високу термоелектричну ефективність кластратів - твердотільних розчинів, схожих за будовою на гідрати. Коли ці матеріали вийдуть з дослідницьких лабораторій, то безшумні холодильники з необмеженим терміном служби замінять наші звичні домашні моделі.

P.S.Однією з найцікавіших особливостей термоелектричної технологіїє те, що вона може не тільки використовувати електричну енергіюдля отримання тепла і холоду, але також завдяки їй можна але запустити зворотний процес, і, наприклад, з тепла отримати електричну енергію.

Приклад того, як можнаодержати електроенергію з тепла з використанням термоелектричного модуля () дивіться на цьомувідео:

А що Ви думаєте з цього приводу? Чекаю на ваші коментарі!

Андрій Повний

p align="justify"> Ефект Пельтьє полягає в тому, що при пропусканні струму по ланцюгу, в контактах різнорідних провідників на додаток до джоулевого тепла виділяється або поглинається тепло Пельтьє. Кількість тепла Пельтьє Q ппропорційно до заряду It, що пройшов через контакт

де П- Коефіцієнт Пельтьє.

Якщо змінити напрям струму, то холодний і гарячий контакти поміняються місцями.

Між ефектами Пельтьє і Зеєбека існує безпосередній зв'язок: різниця температур викликає в ланцюгу, що складається з різнорідних провідників, електричний струм, а струм, що проходить через такий ланцюг, створює різницю температур контактів. Цей зв'язок виражається рівнянням Томсона

Найбільш просто і наочно механізм ефекту Пельтьє можна пояснити, використовуючи ланцюг метал-n-напівпровідник-метал; де контакти є нейтральними. У цьому випадку роботи виходу з металу та напівпровідника рівні, відсутні вигини зон та шари збіднення або збагачення. У рівноважному стані рівні Фермі металу та напівпровідника розташовуються на одній висоті, а дно зони провідності знаходиться вище за рівень Фермі металу, тому для електронів, що переходять з металу в напівпровідник, існує потенційний бар'єр висотою – Е фп(рис. 7.12, а).

а) б)

Мал. 7.12. Енергетична діаграма ланцюга метал-n-напівпровідник – метал:

а– рівноважні стани; б- Проходження струму.

Прикладемо до ланцюга різницю потенціалів U(рис. 7.12, б). Ця різницю потенціалів падати переважно у ділянці з великим опором, тобто. у напівпровіднику, де відбудеться постійна зміна висоти рівнів. У ланцюзі виникає потік електронів, спрямований праворуч наліво.

Під час переходу через правий контакт необхідно збільшення енергії електрона. Ця енергія передається електронам кристалічною решіткоювнаслідок процесів розсіювання, що призводить до зменшення теплових коливань решітки у цій галузі, тобто. до поглинання тепла. На лівому контакті відбувається зворотний процес – передача електронами надлишку енергії Е пфкристалічні грати.

Необхідно відзначити, що рівноважні носії заряду після переходу через межу розділу виявляються нерівноважними і стають рівноважними лише після обміну енергією із кристалічною решіткою.

З даних міркувань, проведемо оцінку коефіцієнта Пельтьє. У провідності металу беруть участь електрони, що знаходяться поблизу рівня Фермі, середня енергія яких практично дорівнює енергії Фермі. Середня енергія електронів провідності у невиродженому напівпровіднику

де r- Показник ступеня залежно λ ~E r.

Таким чином, кожен електрон, проходячи через контакт, набуває або втрачає енергію, що дорівнює

Поділивши цю енергію на заряд електрона, отримаємо коефіцієнт Пельтьє

або з урахуванням (7.80) та (7.73)

Аналогічне співвідношення можна отримати для контакту метал-p-напівпровідник

Тут N Cі N V– ефективні щільності станів у зоні провідності та валентній зоні (п. 5.3).

Для контакту метал-метал коефіцієнт Пельтьє можна визначати за допомогою (7.79)

П 12 =(α 1 -α 2)T, (7.85)

або з урахуванням виразу для α

де Е ф 1 та Е ф 2 – рівні Фермі у металах.

Аналіз механізму виникнення ефекту показує, що коефіцієнт Пельтьє для контакту метал-металімеє істотно меншу величину, ніж у випадку контакту метал-напівпровідник (див. пп. 7.1, 7.2).

У контакті різнорідних напівпровідників, навпаки, коефіцієнт Пельтьє виявляється значно більшим, що зумовлено вищим потенційним бар'єром на межі p-n-переходу. Крім того, у такому ланцюгу один із переходів виявляється включеним у прямому напрямку, а другий у зворотному. У першому випадку переважає рекомбінаціяелектронно-діркових пар та виділення додаткового тепла, а у другому відбувається генераціяпар та відповідно поглинання такої ж кількості тепла.

Ефект охолодження контакту при проходженні струму має суттєве прикладне значення, так як дозволяє створювати термоелектричні холодильники для охолодження радіоелектронної апаратури та термостабілізатори опорних елементівапаратури. Випускаються й різні охолодні стійки, що використовуються в біології та медицині.

У функціональній теплоелектроніці цей ефект застосовується до створення теплоімпульсів – носіїв інформації.

Холодильне обладнання настільки міцно увійшло в наше життя, що навіть важко уявити, як можна без нього обходитися. Але класичні конструкції на холодоагентах не підходять для мобільного використання, наприклад, як похідна сумка-холодильник.

З цією метою використовуються установки, у яких принцип роботи побудований ефект Пельтье. Коротко розповімо про це явище.

Що це таке?

Під цим терміном мають на увазі термоелектричне явище, відкрите в 1834 році французьким натуралістом Жаном-Шарлем Пельтьє. Суть ефекту полягає у виділенні чи поглинанні тепла в зоні, де контактують різнорідні провідники, якими проходить електричний струм.

Відповідно до класичної теорії існує таке пояснення явища: електричний струм переносить між металами електрони, які можуть прискорювати або уповільнювати свій рух, залежно від контактної різниці потенціалів у провідниках, зроблених з різних матеріалів. Відповідно, зі збільшенням кінетичної енергії, відбувається її перетворення на теплову.

На другому провіднику спостерігається зворотний процес, що вимагає поповнення енергії відповідно до фундаментального закону фізики. Це відбувається за рахунок теплового коливання, що спричиняє охолодження металу, з якого виготовлений другий провідник.

Сучасні технології дозволяють виготовити напівпровідникові елементи-модулі із максимальним термоелектричним ефектом. Має сенс коротко розповісти про їхню конструкцію.

Пристрій та принцип роботи

Сучасні модулі є конструкцією, що складається з двох пластин-ізоляторів (як правило, керамічних), з розташованими між ними послідовно з'єднаними термопарами. Зі спрощеною схемою такого елемента можна ознайомитися на наведеному нижче малюнку.

Позначення:

А – контакти підключення до джерела живлення;
B – гаряча поверхня елемента;
С – холодна сторона;
D – мідні провідники;
E – напівпровідник на основі р-переходу;
F – напівпровідник n-типу.

Конструкція виконана таким чином, що кожна зі сторін модуля контактує або p-n, або n-p переходами(залежно від полярності). Контакти p-nнагріваються, n-p – охолоджуються (див. рис.3). Відповідно виникає різниця температур (DT) на сторонах елемента. Для спостерігача цей ефект виглядатиме як перенесення теплової енергії між сторонами модуля. Примітно, що зміна полярності живлення призводить до зміни гарячої та холодної поверхні.

Мал. 3. А – гаряча сторона термоелемента, В – холодна

Технічні характеристики

Характеристики термоелектричних модулів описуються такими параметрами:

холодопродуктивністю (Q max), ця характеристика визначається на основі максимально допустимого струму та різниці температури між сторонами модуля, що вимірюється у Ваттах;
максимальним температурним перепадом між сторонами елемента (DT max), параметр наводиться для ідеальних умов, одиниця виміру - градуси;
допустима сила струму, необхідна забезпечення максимального температурного перепаду – I max ;
максимальним напругою U max , необхідним струму I max , щоб досягти пікової різниці DT max ;
внутрішнім опором модуля – Resistance, що вказується в Омах;
коефіцієнтом ефективності - СОР (абревіатура від англійської - coefficient of performance), по суті це ККД пристрою, що показує ставлення потужності, що охолоджує до споживаної. У недорогих елементів цей параметр знаходиться в межах 0,3-0,35, більш дорогі моделі наближаються до 0,5.

Маркування

Розглянемо, як розшифровується типове маркування модулів з прикладу малюнка 4.

Рис 4. Модуль Пельтьє з маркуванням ТЕС1-12706

Маркування розбивається на три значущі групи:

Позначення елемента. Дві перші літери завжди незмінні (ТІ) говорять про те, що це термоелемент. Наступна вказує розмір, можуть бути літери "С" (стандартний) та "S" (малий). Остання цифра вказує скільки шарів (каскадів) в елементі.
Кількість термопар у модулі, зображеному на фото їх 127.
Розмір номінального струму в Амперах, у нас – 6 А.

Так само читається маркування та інших моделей серії ТЕС1, наприклад: 12703, 12705, 12710 тощо.

Застосування

Незважаючи на досить низький ККД, термоелектричні елементи знайшли широке застосування у вимірювальній, обчислювальній та побутовій техніці. Модулі є важливим робочим елементом таких пристроїв:

мобільних холодильних установок;
невеликих генераторів для вироблення електрики;
систем охолодження у персональних комп'ютерах;
кулери для охолодження та нагрівання води;
осушувачі повітря тощо.

Наведемо детальні приклади використання термоелектричних модулів.

Холодильник на елементах Пельтьє

Термоелектричні холодильні установки значно поступаються за продуктивністю компресорним та абсорбційним аналогам. Але вони мають вагомі переваги, що робить доцільним їх використання за певних умов. До таких переваг можна віднести:

простота конструкції;
стійкість до вібрації;
відсутність рухомих елементів (за винятком вентилятора, що обдуває радіатор);
низький рівень шуму;
невеликі габарити;
можливість роботи у будь-якому положенні;
тривалий термін служби;
невелике споживання енергії.

Такі характеристики ідеально підходять для мобільних установок.

Елемент Пельтьє як генератор електроенергії

Термоелектричні модулі можуть працювати як генератори електроенергії, якщо одну з їх сторін піддати примусовому нагріванню. Чим більша різниця температур між сторонами, тим вища сила струму, що виробляється джерелом. На жаль, максимальна температура для термогенератора обмежена, вона не може бути вищою за точку плавлення припою, що використовується в модулі. Порушення цієї умови призведе до виходу елемента з ладу.

Для серійного виробництва термогенераторів використовують спеціальні модулі з тугоплавким припоєм, їх можна нагрівати до 300°С. У звичайних елементах, наприклад ТЕС1 12715, обмеження - 150 градусів.

Оскільки ККД таких пристроїв невисокий, їх застосовують лише у випадках, коли немає можливості використовувати ефективніше джерело електричної енергії. Тим не менш, термогенератори на 5-10 Вт мають попит у туристів, геологів і жителів віддалених районів. Великі та потужні стаціонарні установки, що працюють від високотемпературного палива, використовують для живлення приладів газорозподільних вузлів, апаратури метеорологічних станцій тощо.

Для охолодження процесора

Нещодавно дані модулі стали використовувати в системах охолодження CPU персональних комп'ютерів. Враховуючи низьку ефективністьтермоелементів, користь від таких конструкцій досить сумнівна. Наприклад, щоб охолодити джерело тепла потужністю 100-170 Вт (відповідає більшості сучасних моделей CPU), потрібно витратити 400-680 Вт, що потребує встановлення потужного блока живлення.

Другий підводний камінь – незавантажений процесор менше виділятиме теплової енергії, і модуль може охолодити його менше точки роси. В результаті почне утворюватися конденсат, що гарантовано виведе електроніку з ладу.

Тим, хто зважиться створити таку систему самостійно, потрібно провести серію розрахунків щодо підбору потужності модуля під певну модель процесора.

Виходячи з вище сказаного, використовувати дані модулі як систему охолодження CPU не рентабельно, крім цього можуть стати причиною виходу комп'ютерної техніки з ладу.

Зовсім інакша справа з гібридними пристроями, де термомодулі використовуються спільно з водяним або повітряним охолодженням.

Гібридні системи охолодження довели свою ефективність, але висока вартість обмежує коло їхніх шанувальників.

Кондиціонер на елементах Пельтьє

Теоретично такий пристрій конструктивно буде значно простіше за класичні системи клімат-контролю, але все впирається в низьку продуктивність. Одна справа – охолодити невеликий об'єм холодильної камери, інша – приміщення чи салон автомобіля. Кондиціонери на термоелектричних модулях більше (в 3-4 рази) споживатимуть електроенергії, ніж обладнання, що працює на холодоагенті.

Що стосується використання як автомобільної системи клімат-контролю, то для роботи такого пристрою потужності штатного генератора буде недостатньо. Заміна його на продуктивніше обладнання призведе до суттєвої витрати палива, що не рентабельно.

У тематичних форумах періодично виникають дискусії на цю тему та розглядаються різні саморобні конструкції, але повноцінного робочого прототипу поки що не створено (крім кондиціонера для хом'ячка). Можливо, ситуація зміниться, коли з'являться в широкому доступі модулі з більш прийнятним ККД.

Для охолодження води

Термоелектричний елемент часто використовують як охолоджувач для кулерів води. Конструкція включає: охолодний модуль, контролер, керований термостатом і обігрівач. Така реалізація значно простіше і дешевше компресорної схеми, крім цього, вона надійніша і простіше в експлуатації. Але є й певні недоліки:

вода не охолоджується нижче 10-12 ° С;
на охолодження потрібно довше часу, ніж компресорному аналогу, отже, такий кулер не підійде для офісу великою кількістюпрацівників;
пристрій чутливий до зовнішньої температури, в теплому приміщенні вода не охолоджуватиметься до мінімальної температури;
не рекомендується встановлення в запилених кімнатах, оскільки може забитися вентилятор і модуль, що охолоджує, вийде з ладу.

Настільний кулер для води з використанням елементу Пельтьє

Осушувач повітря на елементах Пельтьє

На відміну від кондиціонера реалізація осушувача повітря на термоелектричних елементах цілком можлива. Конструкція виходить досить простою та недорогою. Охолодний модуль знижує температуру радіатора нижче точки роси, в результаті на ньому осідає волога, що міститься в повітрі, що проходить через пристрій. Осіла вода відводиться у спеціальний накопичувач.

Попри низький ККД, у разі ефективність пристрою цілком задовільна.

Як підключити?

З підключенням модуля проблем не виникне, на дроти виходів необхідно подати постійну напругу, його величина зазначена в дататі елемента. Червоний провід необхідно підключити до плюса, чорний до мінуса. Увага! Зміна полярності змінює місцями поверхні, що охолоджується і нагрівається.

Як перевірити елемент Пельтьє на працездатність?

Найпростіший і найнадійніший спосіб – тактильний. Необхідно підключити модуль до відповідного джерела напруги і торкнутися різних сторін. У працездатного елемента одна з них буде теплішою, інша – холоднішою.

Якщо відповідного джерела під рукою немає, буде потрібно мультиметр і запальничка. Процес перевірки досить простий:

підключаємо щупи до висновків модуля;
підносимо запалену запальничку до однієї зі сторін;
спостерігаємо за показаннями приладу.

У робочому модулі під час нагрівання однієї зі сторін генерується електричний струм, що відобразиться на табло приладу.

Як зробити елемент Пельтьє своїми руками?

Зробити саморобний модуль у домашніх умовах практично неможливо, тим більше в цьому немає сенсу, враховуючи їх відносно невисоку вартість (близько $4-$10). Але можна зібрати пристрій, який буде корисним у поході, наприклад термоелектричний генератор.

Для стабілізації напруги необхідно зібрати простий перетворювач на мікросхемі ІМС L6920.

На вхід такого перетворювача подається напруга в діапазоні 0,8-5,5, на виході він видаватиме стабільні 5, що цілком достатньо для підзарядки більшості мобільних пристроїв. Якщо використовується звичайний елемент Пельтьє, необхідно обмежити робочий діапазон температури сторони, що нагрівається 150 °С. Щоб не турбувати себе відстеженням, як джерело тепла краще використовувати казанок з киплячою водою. В цьому випадку елемент гарантовано не нагріється вище за температуру 100 °С.

Пельтьє ефект Пельтьє ефект

виділення чи поглинання теплоти під час проходження струму через контакт (спай) двох різних провідників. Кількість теплоти пропорційна силі струму. Використовується у холодильних установках. Відкритий 1834 Ж. Пельтьє.

ПЕЛЬТТЯ ЕФЕКТ

ПЕЛЬТТЯ ЕФЕКТ, для термоелектричних явищ (див.ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА), полягає у виділенні або поглинанні теплоти при проходженні електричного струму через контакт (спай) двох різних провідників. Ефект Пельтьє є зворотним ефектом Зеєбека (див.ЗЕЕБЕКА ЕФЕКТ).
Відкритий 1834 р. Ж. Пельтьє (див.ПЕЛЬТТЯ Жан Шарль Атаназ), Який виявив, що при проходженні струму через спай двох різних провідників температура спаю змінюється. У 1838 р. Е. Х. Ленц (див.ЛЕНЦ Емілій Християнович)показав, що з досить великий силі струму можна або заморозити, або довести до кипіння краплю води, нанесену спай, змінюючи напрям струму.
Сутність ефекту Пельтьє полягає в тому, що при проходженні електричного струму через контакт двох металів або напівпровідників в області їх контакту на додаток до звичайного тепла джоуля виділяється або поглинається додаткова кількість тепла, званого теплом Пельтьє Q п. На відміну від джоулева тепла, яке пропорційно квадрат сили струму, величина Q п пропорційна першому ступені струму.
Q п = П. I. t.
t - час проходження струму,
I – сила струму.
П - коефіцієнт Пельтьє, коефіцієнт пропорційності, що залежить від природи матеріалів, що утворюють контакт. Теоретичні уявленнядозволяють виразити коефіцієнт Пельтьє через мікроскопічні характеристики електронів провідності.
Коефіцієнт Пельтьє П = Т Da, де Т - абсолютна температураа Da - різниця термоелектричних коефіцієнтів провідників. Від напряму струму залежить, чи виділяється чи поглинається тепло Пельтьє.
Причина виникнення ефекту у тому, що у разі контакту металів чи напівпровідників на кордоні виникає внутрішня контактна різниця потенціалів. Це призводить до того, що потенціальна енергіяносіїв по обидві сторони контакту стає різною, оскільки середня енергія носіїв струму залежить від їхнього енергетичного спектру, концентрації та механізмів їх розсіювання та різна в різних провідниках. Оскільки середня енергія електронів, що у переносі струму, у різних провідниках різниться, у процесі зіткнень з іонами решітки носії віддають надлишок кінетичної енергії решітці, і тепло виділяється. Якщо при переході через контакт потенційна енергія носіїв зменшується, то їх збільшується кінетична енергіяі електрони, зіштовхуючись з іонами грат, збільшують свою енергію до середнього значення, при цьому тепло Пельтьє поглинається. Таким чином, при переході електронів через контакт електрони або передають надлишкову енергію атомам, або поповнюють її за їх рахунок.
При переході електронів з напівпровідника в метал енергія електронів провідності напівпровідника значно вища за рівень Фермі (див. Фермі енергія (див.ФЕРМІ-ЕНЕРГІЯ)) металу, та електрони віддають свою надмірну енергію. Ефект Пельтьє особливо великий у напівпровідників, що використовується для створення напівпровідникових приладів, що охолоджують і обігрівають, у тому числі для створення мікрохолодильників в холодильних установках.

Енциклопедичний словник. 2009 .

Дивитись що таке "Пельтьє ефект" в інших словниках:

Виділення або поглинання теплоти при проходженні електрич. струму I через контакт двох разл. провідників. Виділення теплоти змінюється поглинанням при зміні напрямку струму. Відкритий франц. фізиком Ж. Пельтьє (J. Peltier) в 1834. Кількість теплоти ... ... Фізична енциклопедія

Ефект Пельтьє процес виділення чи поглинання тепла під час проходження електричного струму через контакт двох різнорідних провідників. Величина тепла, що виділяється, і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу проходження ... Вікіпедія

Виділення або поглинання теплоти під час проходження струму через контакт (спай) двох різних провідників. Кількість теплоти пропорційна силі струму. Використовується у холодильних установках. Відкритий в 1834 Ж. Пельтьє. Великий Енциклопедичний словник

Виділення або поглинання тепла під час проходження електричного струму через контакт (спай) двох різних провідників. Виділення тепла змінюється поглинанням при зміні напрямку струму. Відкритий Ж. Пельтьє у 1834. Кількість виділеного чи … Велика Радянська Енциклопедія

Ефект Пельтьє є термоелектричним явищем, при якому відбувається виділення або поглинання тепла при проходженні електричного струму в місці контакту (спаю) двох різнорідних провідників. Величина тепла, що виділяється, і його знак залежать від виду … Вікіпедія

Виконав студент групи АТ-11

Мухарлямов Ільдар

Ефект Пельтьє

електричний струм.

Вихід: кількість теплоти, температура.

Сутність

При протіканні постійного електричного струму в ланцюзі, що складається з різнорідних провідників, у місцях контактів (спаях) провідників поглинаються або виділяються, залежно від напрямку струму, тепло. Тепло Пельтьє, виділене або поглинене в шарі, пропорційно до повного заряду, що пройшов через спай, або твору сили струму на час. Коефіцієнт Пельтьє залежить від роду провідників, що стикаються, і від їх температур.

рабо n) (Див. рис.). Пояснення ефекту Пельтьє полягає у взаємодії електронів провідності, що уповільнилися або прискорилися в контактному потенціалі р-n переходу, з тепловим коливаннями атомів масив напівпровідника. В результаті, залежно від напрямку руху електронів і відповідно струму, відбувається нагрівання () або охолодження (Т з ) ділянки напівпровідника, що безпосередньо примикає до спаю (Р-n чи n-p переходу).

Математичний опис

Де - тепло Пельтьє, Дж

П – коефіцієнт Пельтьє;

q- Заряд, що пройшов через контакт, Кл;

I- Струм у провіднику, А;

t- Час, с.

Тепло Пельтьє змінює знак під час зміни напряму струму. Межі зміни параметрів:

до 1 В – напівпровідник;

I-До декількох ампер;

Q- Від 0 до 50 Дж (за 1 сек.)

Коефіцієнт Пельтьє може бути виражений через коефіцієнт Томсона:

q T,

Де
Томсон;

Застосування

Модуль Пельтьє Примітний тим, що з проходження крізь нього електричного струму є термонасос, тобто. перекачує тепло з одного боку на інший, завдяки чому активно використовується в різних системахохолодження, від холодильників для напоїв, до систем охолодження потужних напівпровідникових лазерів і різних чіпів, особливо там, де потрібно прискорити процес забору тепла від елемента, що нагрівається. Основні напрямки практичного використання ефекту Пельтьє в напівпровідниках: одержання холоду для створення термоелектричних охолоджувальних пристроїв, підігрів для опалення, термостатування, керування процесом кристалізації в умовах постійної температури.

Для збільшення відношення сигнал/шум фотоелектронних помножувачів (ФЕУ) пропонується спосіб охолодження фотокатодів термоелектричними елементами, розташованими всередині вакуумної оболонки ФЕУ (Пат. 3757151 США).

Пристрій для відбору газу, в якому відведення конденсату становить одне з холодильником. На внутрішній стороні порожнистого конуса закріплені холодні спаї елементів Пельтьє і від нього відгалужується трубопровід для відбору вимірювального газу. Холодильник відрізняється тим, що як генератор струму, що споживається елементами Пельтьє, передбачена батарея термоелементів, гарячі спаї яких знаходяться в каналі димових газів, а холодні спаї - у зовнішньому просторі (Заявка 1297У02 ФРН).

Зображення пристрою

Плюси та мінуси застосування ТЕМ

Найчастіше до переваг модулів Пельтьє відносять:

порівняно невеликі габарити;

можливість роботи і охолодження, і нагрівання системи;

відсутність рухомих частин, механічних складових, схильних до зносу.

У той же час ТЕМ мають ряд недоліків, які стримують їх повсюдне практичне застосування. Серед них такі:

низький ККД модулів;

необхідність наявності джерела струму для їхньої роботи;

велика споживана потужність для досягнення помітної різниці температур і, як наслідок, суттєве тепловиділення;

обмежені габарити

Контрольні питання:

У чому суть ефекту Пельтьє?

(Під час протікання постійного електричного струму в ланцюгу, що складається з різнорідних провідників, у місцях контактів (спаях) провідників поглинаються або виділяються, залежно від напрямку струму, тепло.)

Від чого залежить коефіцієнт Пельтьє?

(Коефіцієнт Пельтьє залежить від роду провідників, що стикаються, і від їх температур.)

Які провідники використовують у ефекті Пельтьє?

Найбільше ефект Пельтьє проявляється на контактах напівпровідників з різним типом провідності ( рабо n)

Як пов'язаний коефіцієнт Пельтьє з коефіцієнтом Томсона?

q T,

Де
Томсон;

Т – коефіцієнт температури, До.

Основні застосування ефекту?

(Використовується в різних системах охолодження)

Завдання:

Знайти коефіцієнт Пельтьє, знаючи, що струм рівний 10 А пройшов за 3 секунди і виділив 50 Дж тепла.

Чому дорівнюватиме коефіцієнт Томсона, якщо заряд дорівнює 70 Кл, а абсолютна температура дорівнює 300 К. Коефіцієнт Пельтьє дорівнює 1,7 Ст.

Скільки виділиться тепла в місцях контакту різнорідних провідників, якщо коефіцієнт Пельтьє дорівнює 73 мВ, а заряд, що пройшов через термомодуль, дорівнює 40 Кл.

Рішення: Qп = П * q = 2.92 (Дж).

Знайти час, за який пройде струм у провіднику знаючи, що напруга 120 В, опір 10 Ом. При цьому виділяється 1 Дж тепла, а коефіцієнт Пельтьє дорівнює 60 мВ.