Peltier efektas yra tas, kad kai srovė praeina per grandinę, skirtingų laidininkų kontaktuose, be Džaulio šilumos, išleidžiama arba sugeriama Peltier šiluma. Peltier šilumos kiekis Q p proporcingas mokesčiui Tai, perėjo per kontaktą

Kur P– Peltier koeficientas.

Jei pakeisite srovės kryptį, šalti ir karšti kontaktai pasikeis vietomis.

Tarp Peltier ir Seebeck efektų yra tiesioginis ryšys: temperatūros skirtumas sukelia elektros srovę grandinėje, susidedančioje iš skirtingų laidininkų, o per tokią grandinę einanti srovė sukuria temperatūrų skirtumą tarp kontaktų. Šis ryšys išreiškiamas Tomsono lygtimi

Peltier efekto mechanizmą paprasčiausiai ir aiškiausiai galima paaiškinti naudojant metalo-n-puslaidininkio-metalo grandinę; kur yra smeigtukai neutralus. Šiuo atveju metalo ir puslaidininkio darbinės funkcijos yra lygios, nėra juostų vingių ir išsekimo ar sodrinimo sluoksnių. Pusiausvyros būsenoje metalo ir puslaidininkio Fermio lygiai yra viename aukštyje, o laidumo juostos apačia yra virš metalo Fermio lygio, todėl elektronams, judantiems iš metalo į puslaidininkį, yra galimas aukščio barjeras - E fp(7.12 pav., A).

A) b)

Ryžiai. 7.12. Energijos grandinės schema metalas-n-puslaidininkis – metalas:

A– pusiausvyros būsenos; b– srovės pratekėjimas.

Taikykime grandinei potencialų skirtumą U(7.12 pav., b). Šis potencialų skirtumas daugiausia kris didelio pasipriešinimo srityje, t.y. puslaidininkyje, kur nuolat keisis lygių aukštis. Grandinėje atsiranda elektronų srautas, nukreiptas iš dešinės į kairę.

Einant per tinkamą kontaktą, būtina padidinti elektronų energiją. Šią energiją kristalinė gardelė perduoda elektronams dėl sklaidos procesų, dėl to šioje srityje mažėja gardelės šiluminiai virpesiai, t.y. šilumos absorbcijai. Kairiajame kontakte vyksta atvirkštinis procesas - perteklinės energijos perdavimas elektronais E pf kristalinė gardelė.

Pažymėtina, kad pusiausvyros krūvininkai, perėję sąsają, pasirodo esantys nepusiausvyrai ir tampa pusiausvyros tik pasikeitę energija su kristaline gardele.

Remdamiesi šiais samprotavimais, įvertinsime Peltier koeficientą. Metalo laidumas apima elektronus, esančius netoli Fermio lygio, kurių vidutinė energija beveik lygi Fermio energijai. Vidutinė laidumo elektronų energija neišsigimusiame puslaidininkyje

Kur r– priklausomai nuo eksponento λ ~E r.

Taigi kiekvienas elektronas, einantis per kontaktą, įgyja arba praranda energiją, lygią

Padalinę šią energiją iš elektrono krūvio, gauname Peltier koeficientą

arba atsižvelgiant į (7.80) ir (7.73)

Panašų ryšį galima gauti metalo-p-puslaidininkio kontaktui

Čia N C Ir N V– efektyvieji būsenų tankiai laidumo juostoje ir valentinėje juostoje (5.3 skirsnis).

Metalo kontakto su metalu atveju Peltier koeficientas gali būti nustatytas naudojant (7,79)

P 12 =(α 1 -α 2)T, (7.85)

arba atsižvelgiant į α išraišką

Kur E f 1 ir E f 2 – Fermi lygiai metaluose.

Poveikio atsiradimo mechanizmo analizė rodo, kad Peltier koeficientas metalo ir metalo kontaktui yra žymiai mažesnis nei metalo ir puslaidininkio kontakto atveju (žr. 7.1, 7.2 punktus).

Priešingai, esant skirtingų puslaidininkių kontaktui, Peltier koeficientas yra žymiai didesnis, o tai yra dėl didesnio potencialo barjero p-n sandūros riboje. Be to, tokioje grandinėje vienas iš perėjimų yra sujungtas į priekį, o antrasis - priešinga kryptimi. Pirmuoju atveju jis vyrauja rekombinacija elektronų skylių poros ir papildomos šilumos išsiskyrimas, o antrojoje įvyksta karta garų ir atitinkamai to paties šilumos kiekio sugėrimas.

Kontakto aušinimo efektas praeinant srovei turi didelę praktinę reikšmę, nes leidžia sukurti termoelektrinius šaldytuvus elektroninei įrangai aušinti ir terminius stabilizatorius įrangos atraminiams elementams. Taip pat gaminami įvairūs šaldymo stelažai, naudojami biologijoje ir medicinoje.

Funkcinėje šiluminėje elektronikoje šis efektas naudojamas kuriant šiluminius impulsus – informacijos nešiklius.

1834 metais atrado J. Peltier, kuris atrado, kad srovei einant per dviejų skirtingų laidininkų sandūrą, sandūros temperatūra pasikeičia. 1838 metais E. H. Lencas parodė, kad esant pakankamai stipriai srovei, keičiant srovės kryptį galima arba užšaldyti, arba užvirti vandens lašą, užlašintą sandūroje.

Peltier efekto esmė yra ta, kad elektros srovei einant per dviejų metalų ar puslaidininkių kontaktą jų sąlyčio srityje, be įprastos Džaulio šilumos, išsiskiria arba sugeriamas papildomas šilumos kiekis, vadinamas Peltier. karštis Q p. Skirtingai nuo Džaulio šilumos, kuri yra proporcinga srovės kvadratui, dydžiui Q p proporcinga pirmajai srovės galiai.

Q p = P. I. t.

t- dabartinis praėjimo laikas,

aš- srovės stiprumas.

P- Peltier koeficientas, proporcingumo koeficientas, priklausantis nuo kontaktą sudarančių medžiagų pobūdžio. Teorinės koncepcijos leidžia išreikšti Peltier koeficientą per mikroskopines laidumo elektronų charakteristikas.

Peltier koeficientas P = T D a, Kur T- absoliuti temperatūra ir Δ α - laidininkų termoelektrinių koeficientų skirtumas. Srovės kryptis lemia, ar Peltier šiluma išsiskiria, ar absorbuojama.

Poveikio priežastis yra ta, kad esant sąlyčiui tarp metalų ar puslaidininkių, ties riba atsiranda vidinio kontaktinio potencialo skirtumas. Tai lemia tai, kad abiejose kontakto pusėse esančių nešėjų potenciali energija tampa skirtinga, nes vidutinė srovės nešėjų energija priklauso nuo jų energijos spektro, koncentracijos ir sklaidos mechanizmų bei skirtinguose laidininkuose yra skirtinga. Kadangi srovės perdavimu dalyvaujančių elektronų vidutinė energija skirtinguose laidininkuose skiriasi, susidūrimų su gardelės jonais procese nešikliai atiduoda gardelės kinetinės energijos perteklių, išsiskiria šiluma. Jei, einant per kontaktą, mažėja nešėjų potencinė energija, tai didėja jų kinetinė energija, o elektronai, susidūrę su gardelės jonais, padidina savo energiją iki vidutinės vertės, o Peltier šiluma absorbuojama. Taigi, kai elektronai praeina per kontaktą, elektronai arba perduoda energijos perteklių atomams, arba papildo ją savo sąskaita.

Elektronams pereinant iš puslaidininkio į metalą, puslaidininkio laidumo elektronų energija yra žymiai didesnė už metalo Fermio lygmenį (žr. Fermio energiją), ir elektronai atiduoda savo energijos perteklių. Peltier efektas ypač stiprus puslaidininkiuose, kurie naudojami kuriant aušinimo ir šildymo puslaidininkinius įrenginius, įskaitant mikrošaldytuvų kūrimą šaldymo įrenginiuose.

Šilumos išsiskyrimas arba sugertis (priklausomai nuo srovės krypties) dviejų skirtingų puslaidininkių arba metalo ir puslaidininkio sąlyčio metu

Animacija

apibūdinimas

Peltier efektas yra termoelektrinis reiškinys, priešingas Seebecko efektui: kai per dviejų skirtingų medžiagų (laidininkų arba puslaidininkių) kontaktą (sandūrą) kontakte teka elektros srovė I, be Džaulio šilumos, papildoma Peltier šiluma. Q P išleidžiamas viena srovės kryptimi ir absorbuojamas priešinga kryptimi .

Išskiriamos šilumos kiekis Q P ir jo ženklas priklauso nuo besiliečiančių medžiagų tipo, srovės stiprumo ir jos praėjimo laiko:

dQ P = p 12 H I H dt.

Čia p 12 = p 1 -p 2 yra Peltier koeficientas tam tikram kontaktui, susietas su besiliečiančių medžiagų absoliučiais Peltier koeficientais p 1 ir p 2. Šiuo atveju daroma prielaida, kad srovė teka iš pirmojo mėginio į antrąjį. Kai išleidžiama Peltier šiluma, gauname: Q P >0, p 12 >0, p 1 > p 2 . Kai Peltier šiluma absorbuojama, ji laikoma neigiama ir atitinkamai: Q P<0,p 12 <0, p 1

Vietoj Peltier šilumos dažnai naudojamas fizinis dydis, apibrėžiamas kaip šiluminė energija, išsiskirianti kas sekundę, kai kontaktuoja ploto vienetas. Šis dydis, vadinamas šilumos išsiskyrimo galia, nustatomas pagal formulę:

q P = p 12 H j,

kur j=I/S – srovės tankis;

S - kontaktinė sritis;

šio dydžio matmuo yra SI = W/m2.

Iš termodinamikos dėsnių išplaukia, kad Peltier koeficientas ir termogalios koeficientas a yra susiję ryšiu:

p = aЧ T,

kur T yra absoliuti kontakto temperatūra.

Peltier koeficientas, kuris yra svarbi techninė medžiagų charakteristika, paprastai nėra matuojamas, o apskaičiuojamas naudojant termogalios koeficientą, kurio matavimas yra paprastesnis.

Fig. 1 ir pav. 2 paveiksle parodyta uždara grandinė, sudaryta iš dviejų skirtingų puslaidininkių PP1 ir PP2 su kontaktais A ir B.

Peltier šilumos išleidimas (kaištis A)

Ryžiai. 1

Peltier šilumos sugertis (kaištis A)

Ryžiai. 2

Tokia grandinė dažniausiai vadinama termoelementu, o jos šakos – termoelektrodais. Per grandinę teka srovė I, kurią sukuria išorinis šaltinis e. Ryžiai. 1 iliustruoja situaciją, kai prie kontakto A (srovė teka iš PP1 į PP2) Peltier šiluma išsiskiria Q P (A)>0, o kontakte B (srovė nukreipiama iš PP2 į PP1) jos absorbcija yra Q P (B)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >T V.

Fig. 2, pakeitus šaltinio ženklą, srovės kryptis pasikeičia į priešingą: nuo PP2 į PP1 kontakte A ir iš PP1 į PP2 ant kontakto B. Atitinkamai keičiasi Peltier šilumos ženklas ir ryšys tarp kontaktinių temperatūrų: Q P (A)<0, Q P (В)>0, T A<Т В .

Peltier efekto atsiradimo priežastis puslaidininkių sąlyčio metu su to paties tipo srovės nešikliais (du n tipo puslaidininkiais arba dviem p tipo puslaidininkiais) yra ta pati kaip ir dviejų metalinių laidininkų kontakto atveju. Srovės nešėjai (elektronai arba skylės) skirtingose ​​sandūros pusėse turi skirtingą vidutinę energiją, kuri priklauso nuo daugelio priežasčių: energijos spektro, koncentracijos, krūvininkų sklaidos mechanizmo. Jei nešikliai, praėję per sandūrą, patenka į mažesnės energijos zoną, jie perduoda energijos perteklių į kristalinę gardelę, ko pasekoje šalia kontakto išsiskiria Peltier šiluma (Q P >0) ir kontakto temperatūra pakyla. Šiuo atveju kitoje sandūroje nešikliai, pereidami į didesnės energijos regioną, pasiskolina trūkstamą energiją iš gardelės ir Peltier šiluma sugeriama (Q P<0 ) и понижение температуры.

Peltier efektas, kaip ir visi termoelektriniai reiškiniai, ypač ryškus grandinėse, sudarytose iš elektroninių (n tipo) ir skylių (p tipo) puslaidininkių. Šiuo atveju Peltier efektas turi kitokį paaiškinimą. Panagrinėkime situaciją, kai srovė kontakte pereina iš skylinio puslaidininkio į elektroninį (р ® n). Šiuo atveju elektronai ir skylės juda vienas kito link ir, susitikę, rekombinuoja. Dėl rekombinacijos išsiskiria energija, kuri išsiskiria šilumos pavidalu. Ši situacija parodyta fig. 3, kuriame parodytos priemaišinių puslaidininkių su skyle ir elektroniniu laidumu energijos juostos (e c – laidumo juosta, e v – valentinė juosta).

Peltier šilumos išsiskyrimas kontaktuojant p ir n tipo puslaidininkiams

Ryžiai. 3

Fig. 4 (e c – laidumo juosta, e v – valentinė juosta) iliustruoja Peltier šilumos sugertį tuo atveju, kai srovė pereina nuo n iki p – puslaidininkio (n ® p).

Peltier šilumos sugertis p- ir n-tipo puslaidininkių sąlytyje

Ryžiai. 4

Čia elektronai elektroniniame puslaidininkyje ir skylės puslaidininkyje juda priešingomis kryptimis, tolsta nuo sąsajos. Srovės nešiklių praradimas ribinėje srityje kompensuojamas poriniu elektronų ir skylių gamyba. Tokioms poroms susidaryti reikalinga energija, kurią tiekia gardelės atomų šiluminiai virpesiai. Susidariusius elektronus ir skyles elektrinis laukas traukia priešingomis kryptimis. Todėl, kol srovė teka per kontaktą, nuolat gimsta naujos poros. Dėl to šiluma bus absorbuojama kontaktuojant.

Kad Peltier efektas būtų pastebimas bendro šildymo, susijusio su Joule-Lenz šilumos išsiskyrimu, fone, turi būti įvykdyta ši sąlyga: S Q P Si Q J . . Dėl to gaunami šie ryšiai, į kuriuos reikia atsižvelgti atliekant eksperimentus:

.

čia R – l ilgio termoelektrodo atkarpos, kurioje išsiskiria šiluma, varža;

r - elektrinė varža.

Peltier koeficientas, nustatantis sąlyčio metu išsiskiriančios Peltier šilumos kiekį, priklauso nuo besiliečiančių medžiagų pobūdžio ir sąlyčio temperatūros: p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T , kur a 1 ir a 2 yra besiliečiančių medžiagų absoliutūs šiluminės galios koeficientai. Jei daugumos metalų porų termogalios koeficientas yra 10-5 x 10-4 V/K, tai puslaidininkiams jis gali būti daug didesnis (iki 1,5 x 10-3 V/K). Skirtingų tipų laidumo puslaidininkiams a turi skirtingus ženklus, todėl Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.

Pažymėtina, kad šiluminės galios koeficientas kompleksiškai priklauso nuo puslaidininkio sudėties ir temperatūros, tuo tarpu, palyginti su metalais, a priklausomybė nuo temperatūros puslaidininkiams yra daug ryškesnė. A ženklą lemia krūvininkų ženklas. Nėra bendrų empirinių, tuo labiau teorinių formulių, kurios apimtų puslaidininkių termoelektrines savybes plačiame temperatūrų diapazone. Paprastai puslaidininkio termoelektrovaros jėga a, pradedant nuo reikšmės a = 0, kai T = 0, pirmiausia didėja proporcingai T, tada lėčiau, dažnai išlieka pastovi tam tikrame temperatūros diapazone, o aukštų temperatūrų srityje ( daugiau nei 500 Kyo 700 K) pradeda mažėti pagal įstatymą a~ 1/T.

Kitas išskirtinis puslaidininkių bruožas – lemiamas priemaišų vaidmuo, kurių įvedimas leidžia ne tik daug kartų pakeisti reikšmę, bet ir pakeisti a ženklą.

Puslaidininkiuose, kurių laidumas yra mišrus, įnašas į skylių ir elektronų šiluminę galią yra priešingas, o tai lemia mažas a ir p vertes.

Konkrečiu atveju, kai elektronų ir skylių koncentracijos (n) ir judrumas (u) yra vienodi (ne = np ir ue = aukštyn), a ir p reikšmės tampa lygios nuliui:

a~ (ne ue - np up) / (ne ue + np up).

Peltier efektas, kaip ir kiti termoelektriniai reiškiniai, yra fenomenologinio pobūdžio.

Peltier efektas puslaidininkiuose naudojamas termoelektriniam aušinimui ir šildymui, kuris praktiškai pritaikomas temperatūros valdymo ir šaldymo įrenginiuose.

Peltier fenomeną J. Peltier atrado 1834 m.

Laiko ypatybės

Iniciacijos laikas (log iki -3 iki 2);

Tarnavimo laikas (log tc nuo 15 iki 15);

Degradacijos laikas (log td nuo -3 iki 2);

Optimalaus vystymosi laikas (log tk nuo -2 iki 3).

Diagrama:

Techniniai efekto įgyvendinimai

Techninis Peltier efekto įgyvendinimas puslaidininkiuose

Pagrindinis visų termoelektrinių aušinimo įrenginių technologinis mazgas yra termoelektrinė baterija, sudaryta iš nuosekliai sujungtų termoelementų. Kadangi metaliniai laidininkai turi silpnas termoelektrines savybes, termoelementai gaminami iš puslaidininkių, o vieną termoelemento atšaką turi sudaryti grynai skylė (p tipo), o kitą – grynai elektroninis (n tipo) puslaidininkis. Jei pasirinksite srovės kryptį (5 pav.), kurioje Peltier šiluma bus sugerta šaldytuvo viduje esančiuose kontaktuose, o išoriniais kontaktais išleista į aplinkinę erdvę, tada temperatūra šaldytuvo viduje sumažės, o erdvė išorėje šaldytuvas įkais (tai atsitinka bet kokio dizaino šaldytuve).

Termoelektrinio šaldytuvo schema

Ryžiai. 5

Pagrindinė termoelektrinio aušinimo įrenginio savybė yra jo aušinimo efektyvumas:

Z = a 2 /(rl) ,

čia a yra šiluminės galios koeficientas;

r - varža;

l yra puslaidininkio šilumos laidumas.

Z parametras yra temperatūros ir krūvininkų koncentracijos funkcija, o kiekvienai temperatūrai yra optimali koncentracijos vertė, kuriai esant Z reikšmė yra didžiausia. Maksimalus temperatūros sumažėjimas yra susijęs su efektyvumo reikšme pagal išraišką:

D T max = (1/2) Х Z × T 2,

čia T – termoelemento šaltosios sandūros temperatūra.

Kuo didesnė atskirų šakų Z reikšmė, tuo didesnė Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2 reikšmė, kuri lemia efektyvumą. visas termoelementas. Patartina rinktis puslaidininkius, kurių judrumas yra didžiausias ir minimalus šilumos laidumas. Tam tikrų priemaišų įvedimas į puslaidininkį yra pagrindinė turima priemonė pakeisti jo parametrus (a, r, l) norima kryptimi.

Šiuolaikiniai termoelektriniai aušinimo įrenginiai leidžia sumažinti temperatūrą nuo +20°C iki 200°C; jų aušinimo galia paprastai ne didesnė kaip 100 W.

Technologiškai strypai, pagaminti iš puslaidininkinių medžiagų, turinčių p ir n laidumą (1), yra montuojami ant šilumą laidžių plokščių, pagamintų iš izoliacinės medžiagos (2), naudojant metalines jungtis (3), kaip parodyta pav. 6.

Termoelektrinio modulio schema

Ryžiai. 6

Efekto taikymas

Pagrindinės Peltier efekto praktinio panaudojimo puslaidininkiuose sritys: šalčio gavimas termoelektriniams aušinimo įtaisams sukurti, šildymas šildymo tikslams, termostatas, kristalizacijos proceso valdymas pastovios temperatūros sąlygomis.

Termoelektrinis aušinimo metodas turi keletą privalumų, palyginti su kitais aušinimo būdais. Termoelektriniai prietaisai išsiskiria paprastu valdymu, galimybe tiksliai reguliuoti temperatūrą, netriukšmingumu ir dideliu veikimo patikimumu. Pagrindinis termoelektrinių prietaisų trūkumas yra mažas jų efektyvumas, kuris neleidžia jų naudoti pramoninei „šalčio“ gamybai.

Termoelektriniai aušinimo įrenginiai naudojami buitiniuose ir transporto šaldytuvuose, termostatuose, radioelektroninės ir optinės įrangos termojautrių elementų vėsinimui ir termostatavimui, kristalizacijos procesui valdyti, medicinos ir biologiniuose prietaisuose ir kt.

Kompiuterinėse technologijose termoelektriniai aušinimo įrenginiai žargoniškai vadinami „coolers“ (iš anglų kalbos cooler - cooler).

Literatūra

1. Fizinė enciklopedija.- M.: Didžioji rusų enciklopedija, 1998.- T.5.- P.98-99, 125.

2. Sivukhin S.D. Bendrasis fizikos kursas - M.: Nauka, 1977. - T.3. Elektra.- P.490-494.

3. Stilbans L.S. Puslaidininkių fizika - M., 1967. - P.75-83, 292-311.

4. Ioffe A.F. Puslaidininkiniai termoelementai.- M., 1960 m.

Raktažodžiai

Peltier efektas Peltier efektas

šilumos išsiskyrimas arba sugėrimas, kai srovė teka per dviejų skirtingų laidininkų kontaktą (sandūrą). Šilumos kiekis yra proporcingas srovės stiprumui. Naudojamas šaldymo įrenginiuose. J. Peltier atidarė 1834 m.

PELTIER EFFECT, skirtas termoelektriniams reiškiniams (cm. TERMOELEKTRIS REIKŠINIAI), susideda iš šilumos išsiskyrimo arba sugėrimo, kai elektros srovė praeina per dviejų skirtingų laidininkų kontaktą (sankryžą). Peltier efektas yra atvirkštinis Seebeck efektas (cm. SEEBECK EFEKTAS).
J. Pelletier atrado 1834 m (cm. PELTIER Jeanas Charlesas Atanazas), kuris atrado, kad srovei einant per dviejų skirtingų laidininkų sandūrą, sandūros temperatūra pasikeičia. 1838 metais E. H. Lencas (cm. LENZ Emiliy Khristianovič) parodė, kad esant pakankamai didelei srovei, keičiant srovės kryptį galima arba užšaldyti, arba užvirti vandens lašą, užlašinę ant sandūros.
Peltier efekto esmė yra ta, kad elektros srovei einant per dviejų metalų ar puslaidininkių kontaktą jų sąlyčio srityje, be įprastos Džaulio šilumos, išsiskiria arba sugeriamas papildomas šilumos kiekis, vadinamas Peltier. šiluma Q p Skirtingai nuo Džaulio šilumos, kuri yra proporcinga kvadratinei srovės stipriui, Q p reikšmė yra proporcinga pirmajai srovės galiai.
Q p = P. I. t.
t – dabartinis praėjimo laikas,
Aš – srovės stiprumas.
P yra Peltier koeficientas, proporcingumo koeficientas, priklausantis nuo kontaktą sudarančių medžiagų pobūdžio. Teorinės koncepcijos leidžia išreikšti Peltier koeficientą per mikroskopines laidumo elektronų charakteristikas.
Peltier koeficientas P = T Da, kur T – absoliuti temperatūra, o Da – laidininkų termoelektrinių koeficientų skirtumas. Srovės kryptis lemia, ar Peltier šiluma išsiskiria, ar absorbuojama.
Poveikio priežastis yra ta, kad esant sąlyčiui tarp metalų ar puslaidininkių, ties riba atsiranda vidinio kontaktinio potencialo skirtumas. Tai lemia tai, kad abiejose kontakto pusėse esančių nešėjų potenciali energija tampa skirtinga, nes vidutinė srovės nešėjų energija priklauso nuo jų energijos spektro, koncentracijos ir sklaidos mechanizmų bei skirtinguose laidininkuose yra skirtinga. Kadangi srovės perdavimu dalyvaujančių elektronų vidutinė energija skirtinguose laidininkuose skiriasi, susidūrimų su gardelės jonais procese nešikliai atiduoda gardelės kinetinės energijos perteklių, išsiskiria šiluma. Jei, einant per kontaktą, mažėja nešėjų potencinė energija, tai didėja jų kinetinė energija, o elektronai, susidūrę su gardelės jonais, padidina savo energiją iki vidutinės vertės, o Peltier šiluma absorbuojama. Taigi, kai elektronai praeina per kontaktą, elektronai arba perduoda energijos perteklių atomams, arba papildo ją savo sąskaita.
Elektronams pereinant iš puslaidininkio į metalą, puslaidininkio laidumo elektronų energija yra žymiai didesnė už Fermio lygį (žr. Fermio energija (cm. FERMI ENERGY)) metalas, o elektronai atiduoda savo energijos perteklių. Peltier efektas ypač stiprus puslaidininkiuose, kurie naudojami kuriant aušinimo ir šildymo puslaidininkinius įrenginius, įskaitant mikrošaldytuvų kūrimą šaldymo įrenginiuose.

enciklopedinis žodynas. 2009 .

Pažiūrėkite, kas yra „Peltier efektas“ kituose žodynuose:

Šilumos išskyrimas arba sugėrimas praeinant elektrai. srovė I per dviejų skirtingų kontaktų. laidininkai. Pasikeitus srovės krypčiai, šilumos išsiskyrimas pakeičiamas absorbcija. Prancūzai atidarė fizikas J. Peltier 1834 m. Šilumos kiekis... ... Fizinė enciklopedija

Peltier efektas – tai šilumos išsiskyrimo arba sugėrimo procesas, kai elektros srovė teka per dviejų skirtingų laidininkų kontaktą. Išskiriamos šilumos kiekis ir jo ženklas priklauso nuo besiliečiančių medžiagų tipo, srovės stiprumo ir praėjimo laiko... ... Vikipedija

Šilumos išsiskyrimas arba sugėrimas, kai srovė teka per dviejų skirtingų laidininkų kontaktą (sankryžą). Šilumos kiekis yra proporcingas srovės stiprumui. Naudojamas šaldymo įrenginiuose. 1834 metais atidarė J. Pelletier... Didysis enciklopedinis žodynas

Šilumos išsiskyrimas arba sugėrimas, kai elektros srovė teka per dviejų skirtingų laidininkų kontaktą (sankryžą). Pasikeitus srovės krypčiai, šilumos išsiskyrimas pakeičiamas absorbcija. J. Peltier atrado 1834. Skirta suma arba ... Didžioji sovietinė enciklopedija

Peltier efektas yra termoelektrinis reiškinys, kai dviejų skirtingų laidininkų sąlyčio taške (sankryžoje) teka elektros srovė, išsiskirianti arba sugeriama šiluma. Išgaunamos šilumos kiekis ir jo ženklas priklauso nuo tipo ... Vikipedija

Peltier efektas yra procesas, lydimas dviejų skirtingų medžiagų temperatūrų skirtumo atsiradimo, kai per jas teka elektros srovė. Pirmiausia paaiškino akademikas ir išradėjas Lenzas.

Padėkos

Negalime ignoruoti SSRS mokslų akademijos ir akademiko A. F. padėkos. Ioffe už didžiulį darbą kuriant termoelektrą SSRS ir supažindinusį su tyrimų rezultatais.

Pritaikomumas

Peltier efektas naudojamas vėsinimui; šildymas galimas bet kokiu laidininku pagal Džaulio-Lenco dėsnį. Todėl reiškinys yra naudingas:

1. Sukurti žemos įtampos ir nuolatinės srovės šaldytuvus. Su galimybe šildyti keičiant galios poliškumą. Vakaruose taip kuriamos kelioninės sumuštinių keptuvės. Šaltis neleidžia gaminiui sugesti, atvirkštinis poliškumas leidžia patiekti gaminį karštą.
2. Procesoriaus aušintuvai labai prisideda prie bendrų sistemos bloko triukšmo charakteristikų. Jei juos pakeisite Peltier elementais, kartais užtenka bendro ventiliatoriaus. Jis nėra toks triukšmingas, korpusas neturi galingo radiatoriaus, o tvirtinimas patikimas (skirtingai nei pagrindinės plokštės medžiaga).

Aušinimo teorijos kūrimas

Peltier efektas nesulaukė didelio mokslininkų dėmesio ir atrodė nenaudingas. Atidarytas 1834 m., jis daugiau nei šimtmetį rinko dulkes mokslinių bibliotekų lentynose, kol buvo pradėti rasti pirmieji reikšmingi techniniai sprendimai šioje srityje. Pavyzdžiui, Altenkirchas (1911) paskelbė, kad Peltier efekto negalima panaudoti šaldymo įrenginiuose; savo skaičiavimuose jis rėmėsi grynų metalų naudojimu vietoj lydinių ir puslaidininkių.

Vokiečių mokslininko išvadų klaidingumas pasitvirtino vėliau, kuriame svarbų vaidmenį suvaidino SSRS mokslų akademijos puslaidininkių laboratorija. Iki 1950 m. buvo sukurta nuosekli teorija, kuri per ateinančius kelerius metus leido sukurti pirmąjį elektroterminį šaldytuvą. Su santykinai mažu 20% efektyvumu prietaisas sumažino temperatūrą 24 laipsniais, ko daugeliu atvejų pakakdavo buityje. Po metų temperatūrų skirtumas jau buvo 60 laipsnių.

50-ųjų fizikoje Peltier elementas buvo laikomas šaldymo mašina su elektronų dujomis, o ne freonu. Atitinkamai sistema buvo peržiūrėta. Pagrindinis parametras yra šaldymo koeficientas, per laiko vienetą sunaudojamo šilumos kiekio ir jam sunaudojamos galios santykis. Šiuolaikiniams freoniniams oro kondicionieriams ir šaldytuvams šis skaičius viršija vieną. 50-aisiais Peltier elementas vos pasiekė 20%.

Poveikis termodinamikos požiūriu

Peltier efektas apibūdinamas formule, rodančia, kiek energijos perduodama esant tam tikram elektros srovės kiekiui. Išreiškiant jį laiko vienetais, randama įrenginio galia, pagal kurią nustatomi šaldytuvo poreikiai. Šiandien populiarūs tylūs Peltier elementai procesorių aušintuvams. Maža plokštelė aušina štampus ir yra aušinama aušintuvo radiatoriumi. Peltier elementas tarnauja kaip šilumos siurblys, kuris garantuotai pašalina šilumą iš centrinio procesoriaus ir neleidžia jam perkaisti.

Paveikslėlyje pateiktoje formulėje alfa žymi elemento puselių (komponentų) termo-EMF koeficientus. T – darbinė temperatūra Kelvino laipsniais. Kiekviename elemente, kaip taisyklė, yra šalutinis Thomson poveikis: jei srovė teka per laidininką, o linijoje yra temperatūros gradientas (krypčių skirtumas), be Džaulio šilumos išsiskirs kita šiluma. Pastarasis turi Tomsono vardą. Tam tikrose grandinės atkarpose energija bus absorbuojama. Tai reiškia, kad Thomson efektas turi didelę įtaką šildytuvų ir šaldytuvų veikimui. Bet tai, kaip jau minėta, yra šalutinis, neįvertintas veiksnys.

Iš formuluočių matyti, kad efektyvus sprendimas siekiant maksimalaus efektyvumo bus šilumos izoliacija tarp sankryžų. Poroje naudojami puslaidininkiai, galintys generuoti termo-EMF; elektros srovė turi įveikti savo varžą. Sunaudojama energija yra proporcinga temperatūrų skirtumui ir medžiagų termo-EMF koeficientų skirtumui ir priklauso nuo tekančios srovės. Priklausomybių grafikai vaizduoja kreives, o jas diferencijuojant, siekiant rasti kraštutinumus, galima gauti sąlygas pasiekti didžiausią temperatūrų skirtumą (tarp kambario ir šaldytuvo).

Paveiksluose pateikti išvestinės paėmimo operacijos rezultatai, kur apskaičiuojamos optimalios termoelemento varžos R srovės ir didžiausias šaldymo efekto padidėjimas. Iš šių formulių matyti, kad idealus automobilis bus gautas, jei:

• Termoporos medžiagų elektrinis laidumas yra toks pat.
• Termoporos medžiagų šilumos laidumas yra toks pat.
• Termo-EMF koeficientai yra vienodi, bet priešingo ženklo.
• Termoporos šakų pjūviai ir ilgiai yra vienodi.

Šias sąlygas sunku įgyvendinti praktiškai. Šiuo atveju ribinis našumo koeficientas yra lygus šaltos sandūros temperatūros ir temperatūrų skirtumo santykiui. Prisiminkime, kad tai yra idealaus automobilio savybė, tačiau iš tikrųjų tai vis tiek nepasiekiama.

Kaip optimizuoti šaldymo mašinos darbą naudojant Peltier elementus

Paveiksluose pateikiami dydžių, turinčių įtakos Peltier elementų efektyvumui, grafikai. Pirmas dalykas, kuris krenta į akis, yra tai, kad termo-emf koeficientas linkęs į nulį, kai didėja krūvininkų koncentracija. Tai priminimas, kad metalai nėra laikomi geriausiomis medžiagomis termoporoms gaminti. Priešingai, šilumos laidumas didėja. Termodinamikoje manoma, kad jis susideda iš dviejų komponentų:

1. Kristalinės gardelės šilumos laidumas.
2. Šilumos laidumas yra elektroninis. Dėl akivaizdžių priežasčių šis komponentas priklauso nuo laisvųjų krūvininkų koncentracijos ir sukelia kreivės augimą pateiktame grafike. Kristalinės gardelės šilumos laidumas išlieka beveik pastovus.

Tyrėjus domina termo-emf koeficiento kvadrato ir elektros laidumo sandauga. Minėta reikšmė yra našumo koeficiento išraiškos skaitiklyje. Remiantis duomenimis, ekstremumas stebimas, kai laisvųjų nešėjų koncentracija yra nuo 10 iki 19 vienetų kubiniame centimetre. Tai trimis dydžiais mažiau, nei pastebėta grynuose metaluose, iš kurių tiesiogiai išplaukia išvada, kad puslaidininkiai bus ideali medžiaga Peltier elementams.

Antrojo komponento dalis mažesne kryptimi išilgai abscisių ašies jau yra santykinai maža, iš šio intervalo taip pat galima paimti medžiagas. Dielektrikų elektrinis laidumas yra per mažas, o tai paaiškina jų panaudojimo šiame kontekste neįmanoma. Visa tai leidžia nustatyti priežastį, kodėl Altenkircho išvados nėra vertinamos rimtai.

Kvantinė teorija pritaikyta Peltier elementams

Termodinamika neleidžia tiksliai apskaičiuoti, bet kokybiškai aprašo Peltier elementų medžiagų parinkimo procesą. Norėdami ištaisyti situaciją, fizikai į pagalbą kviečiasi kvantinę teoriją. Jis veikia su tomis pačiomis vertėmis, išreikštomis laisvųjų krūvininkų koncentracija, cheminiu potencialu ir Boltzmanno konstanta. Tokios teorijos taip pat dažnai vadinamos kinetinėmis (arba mikroskopinėmis), nes nagrinėjamas iliuzinis ir nežinomas mažiausių dalelių pasaulis. Tarp pavadinimų yra:

1. l yra laisvas krūvininkų kelias. Priklauso nuo temperatūros. Rezultatas nustatomas pagal elektronų sklaidos mechanizmo laipsnio indeksą r (atominėms gardelėms tai yra 0; joninėms gardelėms ir temperatūrai žemiau Debye vienos - 0,5; aukščiau Debye vienos - 1; sklaidai priemaišų jonais - 2).
2. f yra Fermio pasiskirstymo funkcija (per energijos lygius).
3. x – krūvininkų redukuota kinetinė energija.

Fermi funkcijų integralai pateikiami lentelėse, juos apskaičiuoti nėra sunku. Mikroskopinės teorijos lygtys sprendžiamos atsižvelgiant į termo-EMF ir elektrinio laidumo koeficientus, o tai leidžia rasti šaldymo koeficientą. Šias sudėtingas operacijas atliko B.I. Bockas, kuris nustatė, kad optimali Seebecko koeficiento vertė yra nuo 150 iki 400 μV/K, bet priklauso nuo sklaidos mechanizmo laipsnio. Iš pirmo žvilgsnio aišku, kad metalams verčių nesilaikoma. Dėl to Ioffe vadovaujama fizikų grupė parodė, kad geriausia termoporų medžiaga turi atitikti keletą sąlygų:

1. Maksimalus nešiklio mobilumo santykis su kristalinės gardelės šilumos laidumo koeficientu.
2. Nešiklio koncentracija pagal formulę, parodytą paveikslėlyje.

V.P. Juse parodo, kurios medžiagos turi reikiamą mobilumą. Jų kristalinė struktūra yra pusiaukelėje tarp atominės ir metalinės. Priemaišų patekimas į medžiagą visada sumažina mobilumą. Tai paaiškina faktą, kad lydinių termo-emf koeficientas yra didesnis nei grynų medžiagų. Bet priemaišos padidina r. Idealiai medžiagai, kurios gamtoje nėra, termo-EMF koeficientas turėtų išlaikyti pastovią vertę, lygią 172 μV/K. Reikalaujama, kad koncentracija keistųsi pagal paveiksle nurodytą įstatymą (žr. 2 punktą).

Puslaidininkiai išsiskiria gebėjimu parinkti medžiagas, kuriose krūvininkų koncentracija priklauso nuo temperatūros, ir rasti tokias, kur skirtumas praktiškai lygus nuliui. Sujungus šias savybes galima pabandyti surasti idealui artimiausią medžiagą.

Šaldytuvų dizainas

Siekiant sustiprinti efektą, Peltier elementai derinami lygiagrečiai. Tuo pačiu metu jų galios didėja. Norėdami sukurti savo šaldytuvus, turite žinoti šilumos nuostolių per plokščias konstrukcijas apskaičiavimą. Sukurti specialūs skaičiuotuvai, daug jų galima rasti internete.

Atsitiktinis projektavimas yra nepelningas dėl akivaizdžių priežasčių. Ir gera žinia ta, kad Peltier elementai pastaraisiais metais gerokai atpigo. „Ali Express“ pirkite 60 W gaminius iš Kinijos už 300 rublių. Nesunku suprasti, kad šaldytuvą galite surinkti už 3000. O kokią temperatūrą jis išlaikys, priklauso nuo konstrukcijos, kuriai reikia skaičiavimo.