Efectul Peltier este că atunci când curentul trece printr-un circuit, în contactele conductorilor diferiți, pe lângă căldura Joule, căldura Peltier este eliberată sau absorbită. Cantitatea de căldură Peltier Q p proporțional cu taxa Ea, trecut prin contact

Unde P– coeficientul Peltier.

Daca schimbi directia curentului, rece si contacte fierbinți va schimba locurile.

Există o legătură directă între efectele Peltier și Seebeck: o diferență de temperatură provoacă un curent electric într-un circuit format din conductori diferiți, iar curentul care trece printr-un astfel de circuit creează o diferență de temperatură între contacte. Această relație este exprimată prin ecuația Thomson

Mecanismul efectului Peltier poate fi explicat cel mai simplu și clar folosind un circuit metal-n-semiconductor-metal; unde sunt acei neutru. În acest caz, funcțiile de lucru ale metalului și ale semiconductorului sunt egale, nu există îndoituri de bandă și straturi de epuizare sau de îmbogățire. Într-o stare de echilibru, nivelurile Fermi ale metalului și ale semiconductorului sunt situate la aceeași înălțime, iar partea de jos a benzii de conducție este situată deasupra nivelului Fermi al metalului, prin urmare, pentru electronii care se deplasează de la metal la semiconductor, există o potențială barieră de înălțime - E fp(Fig. 7.12, O).

O) b)

Orez. 7.12. Schema circuitului energetic metal-n-semiconductor – metal:

O– stări de echilibru; b– trecerea curentului.

Să aplicăm o diferență de potențial circuitului U(Fig. 7.12, b). Această diferență de potențial va cădea în principal în zona cu rezistență ridicată, adică. într-un semiconductor, unde va exista o schimbare constantă a înălțimii nivelurilor. În circuit apare un flux de electroni, direcționați de la dreapta la stânga.

La trecerea prin contactul potrivit, este necesară o creștere a energiei electronilor. Această energie este transferată la electroni de către rețeaua cristalină ca urmare a proceselor de împrăștiere, ceea ce duce la o scădere a vibrațiilor termice ale rețelei din această regiune, adică. la absorbția căldurii. Pe contactul din stânga are loc procesul invers - transferul de energie în exces de către electroni E pf rețea cristalină.

Trebuie remarcat faptul că purtătorii de sarcină de echilibru, după ce traversează interfața, se dovedesc a fi neechilibrați și devin echilibrați numai după ce fac schimb de energie cu rețeaua cristalină.

Pe baza acestor considerații, vom estima coeficientul Peltier. Conductivitatea unui metal implică electroni situati în apropierea nivelului Fermi, a căror energie medie este aproape egală cu energia Fermi. Energia medie a electronilor de conducție într-un semiconductor nedegenerat

Unde r– în funcție de exponent λ ~E r.

Astfel, fiecare electron care trece prin contact câștigă sau pierde energie egală cu

Împărțind această energie la sarcina electronului, obținem coeficientul Peltier

sau ținând cont de (7.80) și (7.73)

O relație similară poate fi obținută pentru un contact metal-p-semiconductor

Aici N CŞi N V– densitățile efective ale stărilor în banda de conducție și banda de valență (Secțiunea 5.3).

Pentru contactul metal-metal, coeficientul Peltier poate fi determinat folosind (7.79)

P 12 =(α 1 -α 2)T, (7.85)

sau ținând cont de expresia pentru α

Unde E f 1 și E f 2 – Nivelurile Fermi în metale.

Analiza mecanismului de apariție a efectului arată că coeficientul Peltier pentru contactul metal-metal este semnificativ mai mic decât în ​​cazul contactului metal-semiconductor (a se vedea paragrafele 7.1, 7.2).

Într-un contact între semiconductori diferiți, dimpotrivă, coeficientul Peltier se dovedește a fi semnificativ mai mare, ceea ce se datorează unei bariere de potențial mai mari la limita joncțiunii p-n. În plus, într-un astfel de circuit, una dintre tranziții se dovedește a fi conectată în direcția înainte, iar a doua în direcția inversă. În primul caz, ea prevalează recombinare perechi electron-gaură și eliberarea de căldură suplimentară, iar în al doilea există generaţie abur și, în consecință, absorbția aceleiași cantități de căldură.

Efectul de răcire al contactului în timpul trecerii curentului este de o importanță practică semnificativă, deoarece permite crearea de frigidere termoelectrice pentru răcirea echipamentelor electronice și stabilizatori termici pentru elementele de susținere ale echipamentelor. Sunt produse și diverse rafturi de răcire, utilizate în biologie și medicină.

În electronica termică funcțională, acest efect este folosit pentru a crea impulsuri termice - purtători de informații.

Descoperit în 1834 de J. Peltier, care a descoperit că atunci când un curent trece printr-o joncțiune de doi conductori diferiți, temperatura joncțiunii se modifică. În 1838, E. H. Lenz a arătat că, cu un curent suficient de puternic, era posibil fie să înghețe, fie să se fierbe o picătură de apă aplicată la o joncțiune prin schimbarea direcției curentului.

Esența efectului Peltier este că la trecere curent electric prin contactul a două metale sau semiconductori în zona de contact a acestora, pe lângă căldura Joule obișnuită, este eliberată sau absorbită o cantitate suplimentară de căldură, numită căldură Peltier Q p. Spre deosebire de căldura Joule, care este proporțională cu pătratul curentului, mărimea Q p proporţional cu prima putere a curentului.

Q p = P. I. t.

t- timpul de trecere curent,

eu- puterea curentului.

P- coeficientul Peltier, un coeficient de proporționalitate care depinde de natura materialelor care formează contactul. Conceptele teoretice fac posibilă exprimarea coeficientului Peltier prin caracteristicile microscopice ale electronilor de conducere.

coeficientul Peltier P = T D o, Unde T- temperatura absolută și Δ α - diferența de coeficienți termoelectrici ai conductorilor. Direcția curentului determină dacă căldura Peltier este generată sau absorbită.

Motivul efectului este că, în cazul contactului dintre metale sau semiconductori, la limită apare o diferență internă de potențial de contact. Acest lucru duce la faptul că energia potențială a purtătorilor de pe ambele părți ale contactului devine diferită, deoarece energia medie a purtătorilor de curent depinde de spectrul lor de energie, concentrația și mecanismele de disipare a acestora și este diferită în diferiți conductori. Deoarece energia medie a electronilor implicați în transferul de curent diferă în diferiți conductori, în procesul de ciocnire cu ionii rețelei, purtătorii renunță la rețea în exces de energie cinetică și se eliberează căldură. Dacă, la trecerea printr-un contact, energia potențială a purtătorilor scade, atunci energia lor cinetică crește, iar electronii, ciocnind cu ionii rețelei, le măresc energia până la o valoare medie, în timp ce căldura Peltier este absorbită. Astfel, atunci când electronii trec printr-un contact, electronii fie transferă excesul de energie către atomi, fie o reumple pe cheltuiala lor.

În timpul tranziției electronilor de la un semiconductor la un metal, energia electronilor de conducție ai semiconductorului este semnificativ mai mare decât nivelul Fermi (vezi energia Fermi) al metalului, iar electronii renunță la excesul de energie. Efectul Peltier este deosebit de puternic în semiconductori, care este folosit pentru a crea dispozitive semiconductoare de răcire și încălzire, inclusiv crearea de microfrigidere în unitățile frigorifice.

Eliberarea sau absorbția (în funcție de direcția curentului) de căldură la contactul a doi semiconductori diferiți sau a unui metal și a unui semiconductor

Animaţie

Descriere

Efectul Peltier este un fenomen termoelectric, opusul efectului Seebeck: atunci când un curent electric I este trecut printr-un contact (joncțiune) a două substanțe diferite (conductoare sau semiconductoare) la contact, pe lângă căldura Joule, căldură Peltier suplimentară. Q P este eliberat într-o direcție a curentului și absorbit în sens opus.

Cantitatea de căldură generată Q P și semnul acesteia depind de tipul de substanțe în contact, puterea curentului și timpul trecerii acestuia:

dQ P = p 12 H I H dt.

Aici p 12 = p 1 -p 2 este coeficientul Peltier pentru acest contact, asociat cu coeficienții absoluti Peltier p 1 și p 2 ai materialelor de contact. În acest caz, se presupune că curentul curge de la prima probă la a doua. Când căldura Peltier este eliberată, avem: Q P >0, p 12 >0, p 1 > p 2 . Când căldura Peltier este absorbită, este considerată negativă și, în consecință: Q P<0,p 12 <0, p 1

În locul căldurii Peltier, este adesea folosită o cantitate fizică, definită ca energie termică eliberată în fiecare secundă la contactul unei unități de suprafață. Această cantitate, numită putere de eliberare a căldurii, este determinată de formula:

q P = p 12 H j,

unde j=I/S - densitatea curentului;

S - zona de contact;

dimensiunea acestei marimi este SI = W/m2.

Din legile termodinamicii rezultă că coeficientul Peltier și coeficientul de termoputere a sunt legați prin relația:

p = aЧ T,

unde T este temperatura de contact absolută.

Coeficientul Peltier, care este o caracteristică tehnică importantă a materialelor, nu este, de regulă, măsurat, ci se calculează folosind coeficientul de termoputere, a cărui măsurare este mai simplă.

În fig. 1 și fig. Figura 2 prezintă un circuit închis format din doi semiconductori diferiți PP1 și PP2 cu contactele A și B.

Degajare de căldură Peltier (pin A)

Orez. 1

Absorbție de căldură Peltier (pin A)

Orez. 2

Un astfel de circuit este de obicei numit termoelement, iar ramurile sale sunt numite termoelectrozi. Un curent I creat de o sursă externă e circulă prin circuit. Orez. 1 ilustrează situația când la contactul A (curent curge de la PP1 la PP2) căldura Peltier este eliberată Q P (A)>0, iar la contactul B (curent este direcționat de la PP2 la PP1) absorbția sa este Q P (B)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >TV V .

În fig. 2, schimbarea semnului sursei schimbă direcția curentului în sens opus: de la PP2 la PP1 pe contactul A și de la PP1 la PP2 pe contactul B. În consecință, semnul căldurii Peltier și relația dintre temperaturile de contact se modifică: Q P (A)<0, Q P (В)>0, TA<Т В .

Motivul apariției efectului Peltier la contactul semiconductorilor cu același tip de purtători de curent (doi semiconductori de tip n sau doi semiconductori de tip p) este același ca și în cazul contactului a doi conductori metalici. Purtătorii de curent (electroni sau găuri) de pe diferite părți ale joncțiunii au energii medii diferite, care depind de multe motive: spectrul energetic, concentrația, mecanismul de împrăștiere a purtătorului de sarcină. Dacă purtătorii, trecând prin joncțiune, intră într-o zonă cu energie mai mică, ei transferă excesul de energie către rețeaua cristalină, în urma căreia căldura Peltier este eliberată în apropierea contactului (Q ​​P >0) și temperatura de contact crește. În acest caz, la cealaltă joncțiune, purtătorii, deplasându-se într-o regiune cu energie mai mare, împrumută energia lipsă din rețea, iar căldura Peltier este absorbită (Q P<0 ) и понижение температуры.

Efectul Peltier, ca toate fenomenele termoelectrice, este deosebit de pronunțat în circuitele compuse din semiconductori electronici (tip n) și orificiu (tip p). În acest caz, efectul Peltier are o altă explicație. Să luăm în considerare situația în care curentul din contact trece de la un semiconductor cu gaură la unul electronic (р ® n). În acest caz, electronii și găurile se mișcă unul spre celălalt și, după ce s-au întâlnit, se recombină. Ca rezultat al recombinării, se eliberează energie, care este eliberată sub formă de căldură. Această situație este prezentată în Fig. 3, care prezintă benzile de energie (e c - banda de conducție, ev - banda de valență) pentru semiconductori de impurități cu orificiu și conductivitate electronică.

Eliberarea căldurii Peltier la contactul semiconductorilor de tip p și n

Orez. 3

În fig. 4 (e c - banda de conducție, ev - banda de valență) ilustrează absorbția de căldură Peltier pentru cazul în care curentul trece de la n la p - semiconductor (n ® p).

Absorbția căldurii Peltier la contactul semiconductorilor de tip p și n

Orez. 4

Aici, electronii dintr-un semiconductor electronic și găurile dintr-un semiconductor de gaură se mișcă în direcții opuse, îndepărtându-se de interfață. Pierderea purtătorilor de curent în regiunea de limită este compensată de producția în perechi de electroni și găuri. Formarea unor astfel de perechi necesită energie, care este furnizată de vibrațiile termice ale atomilor rețelei. Electronii și găurile rezultate sunt atrași în direcții opuse de câmpul electric. Prin urmare, atâta timp cât curentul trece prin contact, se nasc continuu noi perechi. Ca rezultat, căldura va fi absorbită în contact.

Pentru ca efectul Peltier să fie vizibil pe fondul încălzirii generale asociate cu eliberarea căldurii Joule-Lenz, trebuie îndeplinită următoarea condiție: S Q P Si Q J . . Ca urmare, se obțin următoarele relații care trebuie luate în considerare la efectuarea experimentelor:

.

unde R este rezistența secțiunii termoelectrodului de lungime l la care se eliberează căldură;

r - rezistivitate electrică.

Coeficientul Peltier, care determină cantitatea de căldură Peltier eliberată la contact, depinde de natura substanțelor aflate în contact și de temperatura de contact: p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T , unde a 1 iar a 2 sunt coeficienții absoluti de termoputere ai substanțelor în contact. Dacă pentru majoritatea perechilor de metale coeficientul de termoputere este de ordinul 10-5 x 10-4 V/K, atunci pentru semiconductori poate fi mult mai mare (până la 1,5 x 10-3 V/K). Pentru semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate, a are semne diferite, drept urmare Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.

Trebuie remarcat faptul că coeficientul de termoputere depinde într-un mod complex de compoziția și temperatura semiconductorului, în timp ce, în comparație cu metale, dependența de temperatură a a pentru semiconductori este mult mai pronunțată. Semnul lui a este determinat de semnul purtătorilor de taxe. Nu există formule empirice generale, cu atât mai puțin teoretice, care să acopere proprietățile termoelectrice ale semiconductorilor într-un interval larg de temperatură. De obicei, forța termoelectromotoare a unui semiconductor, pornind de la valoarea a = 0 la T = 0, crește mai întâi proporțional cu T, apoi mai încet, rămâne adesea constantă într-un anumit interval de temperatură și în regiunea temperaturilor ridicate ( peste 500 Kyo 700 K) începe să scadă conform legii a~ 1/T.

O altă trăsătură distinctivă a semiconductorilor este rolul decisiv al impurităților, a căror introducere face posibilă nu numai schimbarea de mai multe ori a valorii, ci și schimbarea semnului a.

În semiconductori cu conductivitate mixtă, contribuțiile la termoputerea găurilor și a electronilor sunt opuse, ceea ce duce la valori mici ale a și p.

În cazul particular, când concentrațiile (n) și mobilitatea (u) ale electronilor și găurilor sunt egale (ne = np și ue = sus), valorile lui a și p devin zero:

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

Efectul Peltier, ca și alte fenomene termoelectrice, este de natură fenomenologică.

Efectul Peltier în semiconductori este utilizat pentru răcirea și încălzirea termoelectrică, care are aplicații practice în controlul temperaturii și dispozitivele de refrigerare.

Fenomenul Peltier a fost descoperit de J. Peltier în 1834.

Caracteristici de sincronizare

Timp de inițiere (log la -3 la 2);

Durata de viață (log tc de la 15 la 15);

Timp de degradare (log td de la -3 la 2);

Timpul de dezvoltare optimă (log tk de la -2 la 3).

Diagramă:

Implementări tehnice ale efectului

Implementarea tehnică a efectului Peltier în semiconductori

Unitatea tehnologică principală a tuturor dispozitivelor termoelectrice de răcire este o baterie termoelectrică asamblată din termoelemente conectate în serie. Deoarece conductorii metalici au proprietăți termoelectrice slabe, termoelementele sunt fabricate din semiconductori, iar una dintre ramurile termoelementului ar trebui să fie constituită dintr-o gaură pură (tip p), iar cealaltă dintr-un semiconductor pur electronic (tip n). Dacă alegeți o direcție curentă (Fig. 5), în care căldura Peltier va fi absorbită la contactele situate în interiorul frigiderului și eliberată în spațiul înconjurător la contactele externe, atunci temperatura din interiorul frigiderului va scădea, iar spațiul în afara frigiderului se va încălzi (ceea ce se întâmplă la orice tip de frigider).

Schema schematică a unui frigider termoelectric

Orez. 5

Principala caracteristică a unui dispozitiv de răcire termoelectric este eficiența sa de răcire:

Z= a 2 /(rl) ,

unde a este coeficientul de termoputere;

r - rezistivitate;

l este conductivitatea termică a semiconductorului.

Parametrul Z este o funcție de temperatură și concentrația purtătorului de sarcină, iar pentru fiecare temperatură dată există o valoare optimă a concentrației la care valoarea Z este maximă. Reducerea maximă a temperaturii este legată de valoarea eficienței prin expresia:

D T max = (1/2) Х Z Х T 2,

unde T este temperatura joncțiunii reci a termoelementului.

Cu cât este mai mare valoarea lui Z pentru ramurile individuale, cu atât este mai mare valoarea lui Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2, ceea ce determină eficiența. întregul termoelement. Este recomandabil să alegeți semiconductori cu cele mai mari valori de mobilitate și conductivitate termică minimă. Introducerea anumitor impurități într-un semiconductor este principalul mijloc disponibil de modificare a parametrilor acestuia (a, r, l) în direcția dorită.

Dispozitivele moderne de răcire termoelectrică asigură reducerea temperaturii de la +20°C la 200°C; capacitatea lor de răcire nu este de obicei mai mare de 100 W.

Din punct de vedere tehnologic, tijele din materiale semiconductoare cu conductivitate p și n (1) sunt montate pe plăci termoconductoare din material izolator (2) folosind conectori metalici (3) așa cum se arată în Fig. 6.

Schema modulului termoelectric

Orez. 6

Aplicarea unui efect

Principalele domenii de utilizare practică a efectului Peltier în semiconductori: obținerea frigului pentru a crea dispozitive termoelectrice de răcire, încălzire în scop de încălzire, termostatare, controlul procesului de cristalizare în condiții de temperatură constantă.

Metoda de răcire termoelectrică are mai multe avantaje față de alte metode de răcire. Dispozitivele termoelectrice se disting prin ușurința de control, capacitatea de a regla fin temperatura, zgomotul și fiabilitatea operațională ridicată. Principalul dezavantaj al dispozitivelor termoelectrice este eficiența lor scăzută, care nu le permite să fie utilizate pentru producția industrială de „rece”.

Dispozitivele termoelectrice de răcire sunt utilizate în frigiderele de uz casnic și de transport, termostate, pentru răcirea și termostarea elementelor termosensibile ale echipamentelor radio-electronice și optice, pentru controlul procesului de cristalizare, în dispozitivele medicale și biologice etc.

În tehnologia computerelor, dispozitivele de răcire termoelectrică au denumirea din argou „cooler” (din engleză cooler - cooler).

Literatură

1. Enciclopedie fizică.- M.: Marea Enciclopedie Rusă, 1998.- T.5.- P.98-99, 125.

2. Sivukhin S.D. Curs general de fizică - M.: Nauka, 1977. - T.3. Electricitate.- P.490-494.

3. Stilbans L.S. Fizica semiconductorilor - M., 1967. - P.75-83, 292-311.

4. Ioffe A.F. Termoelemente semiconductoare - M., 1960.

Cuvinte cheie

Efectul Peltier Efectul Peltier

eliberarea sau absorbția de căldură atunci când curentul trece printr-un contact (joncțiune) a doi conductori diferiți. Cantitatea de căldură este proporțională cu puterea curentului. Folosit în unitățile frigorifice. Deschis în 1834 de J. Peltier.

EFECT PELTIER, pentru fenomene termoelectrice (cm. FENOMENE TERMOELECTRICE), consta in degajarea sau absorbtia de caldura atunci cand un curent electric trece printr-un contact (jonctiune) a doi conductori diferiti. Efectul Peltier este inversul efectului Seebeck (cm. EFECT SEEBECK).
Descoperit în 1834 de J. Pelletier (cm. PELTIER Jean Charles Atanaz), care a descoperit că atunci când curentul trece printr-o joncțiune a doi conductori diferiți, temperatura joncțiunii se modifică. În 1838 E. H. Lenz (cm. LENZ Emiliy Khristianovici) a arătat că cu un curent suficient de mare este posibil fie să înghețe, fie să se aducă la fierbere o picătură de apă aplicată pe o joncțiune prin schimbarea direcției curentului.
Esența efectului Peltier este că atunci când un curent electric trece prin contactul a două metale sau semiconductori în zona de contact a acestora, pe lângă căldura obișnuită Joule, este eliberată sau absorbită o cantitate suplimentară de căldură, numită Peltier. căldura Q p. Spre deosebire de căldura Joule, care este proporțională cu puterea curentului pătrat, valoarea lui Q p este proporțională cu prima putere a curentului.
Q p = P. I. t.
t - timpul de trecere curent,
I - puterea curentului.
P este coeficientul Peltier, un coeficient de proporționalitate care depinde de natura materialelor care formează contactul. Conceptele teoretice fac posibilă exprimarea coeficientului Peltier prin caracteristicile microscopice ale electronilor de conducere.
Coeficientul Peltier P = T Da, unde T este temperatura absolută, iar Da este diferența dintre coeficienții termoelectrici ai conductorilor. Direcția curentului determină dacă căldura Peltier este generată sau absorbită.
Motivul efectului este că, în cazul contactului dintre metale sau semiconductori, la limită apare o diferență internă de potențial de contact. Acest lucru duce la faptul că energia potențială a purtătorilor de pe ambele părți ale contactului devine diferită, deoarece energia medie a purtătorilor de curent depinde de spectrul lor de energie, concentrația și mecanismele de disipare a acestora și este diferită în diferiți conductori. Deoarece energia medie a electronilor implicați în transferul de curent diferă în diferiți conductori, în procesul de ciocnire cu ionii rețelei, purtătorii renunță la rețea în exces de energie cinetică și se eliberează căldură. Dacă, la trecerea printr-un contact, energia potențială a purtătorilor scade, atunci energia lor cinetică crește, iar electronii, ciocnind cu ionii rețelei, le măresc energia până la o valoare medie, în timp ce căldura Peltier este absorbită. Astfel, atunci când electronii trec printr-un contact, electronii fie transferă excesul de energie către atomi, fie o reumple pe cheltuiala lor.
În timpul tranziției electronilor de la un semiconductor la un metal, energia electronilor de conducție ai semiconductorului este semnificativ mai mare decât nivelul Fermi (vezi energia Fermi (cm. FERMI ENERGY)) metal, iar electronii renunță la excesul de energie. Efectul Peltier este deosebit de puternic în semiconductori, care este folosit pentru a crea dispozitive semiconductoare de răcire și încălzire, inclusiv crearea de microfrigidere în unitățile frigorifice.

Dicţionar Enciclopedic. 2009 .

Vedeți ce este „efectul Peltier” în alte dicționare:

Eliberarea sau absorbția de căldură în timpul trecerii energiei electrice. curent I prin contactul a două diferite. conductoare. Degajarea de căldură este înlocuită cu absorbția atunci când direcția curentului se schimbă. franceză deschisă fizicianul J. Peltier în 1834. Cantitatea de căldură... ... Enciclopedie fizică

Efectul Peltier este procesul de eliberare sau absorbție a căldurii atunci când un curent electric trece prin contactul a doi conductori diferiți. Cantitatea de căldură generată și semnul acesteia depind de tipul de substanțe în contact, puterea curentului și timpul de tranzit... ... Wikipedia

Eliberarea sau absorbția de căldură atunci când curentul trece printr-un contact (joncțiune) a doi conductori diferiți. Cantitatea de căldură este proporțională cu puterea curentului. Folosit în unitățile frigorifice. Deschis în 1834 de J. Pelletier... Dicţionar enciclopedic mare

Eliberarea sau absorbția de căldură atunci când un curent electric trece printr-un contact (joncțiune) a doi conductori diferiți. Degajarea de căldură este înlocuită cu absorbția atunci când direcția curentului se schimbă. Descoperit de J. Peltier în 1834. Suma alocată sau... Marea Enciclopedie Sovietică

Efectul Peltier este un fenomen termoelectric în care căldura este eliberată sau absorbită atunci când un curent electric trece în punctul de contact (joncțiune) a doi conductori diferiți. Cantitatea de căldură generată și semnul acesteia depind de tipul... Wikipedia

Efectul Peltier este un proces însoțit de apariția unei diferențe de temperatură între două materiale diferite atunci când un curent electric trece prin ele. Mai întâi explicat de academicianul și inventatorul Lenz.

Mulțumiri

Nu putem ignora recunoștința Academiei de Științe a URSS și a academicianului A.F. Ioffe pentru munca sa extraordinară privind dezvoltarea termoelectricității în URSS și pentru aducerea rezultatelor cercetării în atenția publicului.

Aplicabilitate

Efectul Peltier este utilizat pentru răcire încălzirea este posibilă de orice conductor conform legii Joule-Lenz. Prin urmare, fenomenul este util:

1. Pentru a crea frigidere de joasă tensiune și curent continuu. Cu posibilitate de încălzire la schimbarea polarității puterii. În Occident, așa sunt proiectate dispozitivele de fabricare a sandvișurilor de călătorie. Frigul împiedică stricarea produsului, polaritatea inversă vă permite să serviți produsul cald.
2. Răcitoarele pentru procesoare au o contribuție semnificativă la caracteristicile generale de zgomot ale unității de sistem. Dacă le înlocuiți cu elemente Peltier, uneori este suficient un ventilator comun. Nu este atât de zgomotos, carcasa nu are un radiator puternic, iar montarea este fiabilă (spre deosebire de materialul plăcii de bază).

Dezvoltarea teoriei răcirii

Efectul Peltier nu a atras atenția oamenilor de știință și părea inutil. Deschis în 1834, a strâns praf pe rafturile bibliotecilor științifice timp de mai bine de un secol înainte de a începe să se găsească primele soluții tehnice semnificative în acest domeniu. De exemplu, Altenkirch (1911) a declarat imposibilitatea utilizării efectului Peltier în unitățile frigorifice, în calculele sale, s-a bazat pe utilizarea metalelor pure în locul aliajelor și semiconductorilor.

Eroarele concluziilor omului de știință german a fost confirmată mai târziu, în care un rol semnificativ a fost jucat de laboratorul de semiconductori al Academiei de Științe a URSS. Până în 1950, a fost creată o teorie coerentă care, în următorii câțiva ani, a făcut posibilă crearea primului frigider electrotermic. Cu o eficiență relativ scăzută de 20%, dispozitivul a scăzut temperatura cu 24 de grade, ceea ce în majoritatea cazurilor a fost suficient pentru uz casnic. Ani mai târziu, diferența de temperatură era deja de 60 de grade.

În fizica anilor 50, elementul Peltier era considerat o mașină de refrigerare cu gaz de electroni în loc de freon. În consecință, sistemul a fost revizuit. Parametrul principal este coeficientul de refrigerare, raportul dintre cantitatea de căldură luată pe unitatea de timp și puterea cheltuită pe acesta. Pentru aparatele de aer condiționat și frigiderele moderne cu freon, cifra depășește unu. În anii 50, elementul Peltier abia ajungea la 20%.

Efectul din punct de vedere al termodinamicii

Efectul Peltier este descris printr-o formulă care arată câtă energie este transferată la o anumită cantitate de curent electric. Exprimând-o în unități de timp, se găsește puterea dispozitivului, pe baza căreia se determină nevoile frigiderului. Elementele Peltier silențioase pentru răcitoarele de procesoare sunt populare astăzi. O placă mică răcește matrița și este răcită de radiatorul răcitorului. Elementul Peltier servește ca o pompă de căldură, care este garantat să elimine căldura din procesorul central, prevenind supraîncălzirea acestuia.

În formula din figură, alfa denotă coeficienții de termo-EMF ai jumătăților (componentelor) elementului. T – temperatura de funcționare în grade Kelvin. În fiecare element, de regulă, există un efect secundar al lui Thomson: dacă un curent trece printr-un conductor și există un gradient de temperatură (diferență de direcție) de-a lungul liniei, va fi eliberată și altă căldură, în plus față de căldura Joule. Acesta din urmă poartă numele de Thomson. În anumite secțiuni ale lanțului, energia va fi absorbită. Aceasta înseamnă că efectul Thomson are o influență puternică asupra funcționării încălzitoarelor și frigiderelor. Dar este, după cum s-a spus deja, un factor secundar, nesocotit.

Din formulări rezultă că o soluție eficientă pentru a obține eficiența maximă va fi izolarea termică între joncțiuni. Perechea folosește semiconductori care sunt capabili să genereze termo-EMF, curentul electric trebuie să-și depășească rezistența. Energia cheltuită este proporțională cu diferența de temperatură și diferența dintre coeficienții termo-EMF ai substanțelor și depinde de curentul care curge. Graficele de dependență reprezintă curbe, iar diferențierea acestora pentru a găsi extreme se pot obține condițiile pentru realizarea diferenței maxime de temperatură (între cameră și frigider).

Cifrele arată rezultatele operației de luare a derivatei, unde se calculează curenții optimi pentru rezistența R a termocuplului și creșterea maximă a efectului frigorific. Din aceste formule rezultă că se va obține o mașină ideală dacă:

• Conductivitatea electrică a materialelor termocuplului este aceeași.
• Conductivitatea termică a materialelor termocuplurilor este aceeași.
• Coeficienții termo-EMF sunt aceiași, dar semn opus.
• Secțiunile și lungimile ramurilor termocuplului sunt aceleași.

Este dificil să implementezi aceste condiții în practică. În acest caz, coeficientul limitator de performanță este egal cu raportul dintre temperatura joncțiunii rece și diferența de temperatură. Să ne amintim că aceasta este o caracteristică a unei mașini ideale, dar în realitate este încă de neatins.

Cum să optimizați funcționarea unei mașini de refrigerare folosind elemente Peltier

Figurile prezintă grafice ale cantităților care afectează eficiența elementelor Peltier. Primul lucru care vă atrage atenția este că coeficientul termo-emf tinde spre zero pe măsură ce crește concentrația purtătorilor de sarcină. Acesta este un memento că metalele nu sunt considerate cele mai bune materiale pentru fabricarea termocuplurilor. Conductivitatea termică, dimpotrivă, crește. În termodinamică, se crede că constă din două componente:

1. Conductivitatea termică a rețelei cristaline.
2. Conductivitatea termică este electronică. Din motive evidente, această componentă depinde de concentrația purtătorilor de sarcină liberă și determină creșterea curbei din graficul prezentat. Conductivitatea termică a rețelei cristaline rămâne aproape constantă.

Cercetătorii sunt interesați de produsul dintre pătratul coeficientului termo-emf și conductivitatea electrică. Valoarea menționată se află la numărătorul expresiei pentru coeficientul de performanță. Conform datelor, extremul este observat la o concentrație de purtători liberi în regiunea de 10 până la a 19-a putere de unități pe centimetru cub. Aceasta este cu trei ordine de mărime mai mică decât cea observată la metalele pure, din care rezultă direct concluzia că semiconductorii vor fi materialul ideal pentru elementele Peltier.

Ponderea celei de-a doua componente este deja relativ mică în direcția mai mică de-a lungul axei absciselor, este de asemenea posibil să se preia materiale din acest interval. Conductivitatea electrică a dielectricilor este prea scăzută, ceea ce explică imposibilitatea utilizării lor în acest context. Toate acestea ne permit să stabilim motivul pentru care concluziile lui Altenkirch nu sunt luate în serios.

Teoria cuantică aplicată elementelor Peltier

Termodinamica nu permite un calcul exact, dar descrie calitativ procesul de selectare a materialelor pentru elementele Peltier. Pentru a corecta situația, fizicienii fac apel la teoria cuantică pentru a ajuta. Funcționează cu aceleași valori, exprimate prin concentrația purtătorilor de sarcină liberă, potențialul chimic și constanta lui Boltzmann. Astfel de teorii mai sunt numite în mod obișnuit cinetice (sau microscopice) deoarece consideră lumea iluzorie și necunoscută a celor mai mici particule. Printre denumiri se numără:

1. I este calea liberă a purtătorilor de taxe. Depinde de temperatura. Rezultatul este determinat de indicele de grad al mecanismului de împrăștiere a electronilor r (pentru rețelele atomice acesta este 0; pentru rețelele ionice și temperaturile sub cel Debye - 0,5; deasupra celui Debye - 1; pentru împrăștierea prin ioni de impurități - 2).
2. f este funcția de distribuție Fermi (peste niveluri de energie).
3. x este energia cinetică redusă a purtătorilor de sarcină.

Integralele funcțiilor Fermi sunt enumerate în tabele calculul lor nu este dificil. Ecuațiile teoriei microscopice sunt rezolvate în funcție de coeficienții de termo-EMF și conductivitate electrică, ceea ce permite găsirea coeficientului de refrigerare. Aceste operații complexe au fost efectuate de B.I. Bock, care a descoperit că valoarea optimă a coeficientului Seebeck este în intervalul între 150 și 400 μV/K, dar depinde de gradul mecanismului de împrăștiere. La prima vedere, este clar că valorile nu sunt respectate pentru metale. Drept urmare, un grup de fizicieni condus de Ioffe a arătat că cel mai bun material pentru termocupluri trebuie să îndeplinească o serie de condiții:

1. Raportul maxim dintre mobilitatea purtătorului și coeficientul de conductivitate termică al rețelei cristaline.
2. Concentrația purtătorului conform formulei prezentate în figură.

V.P. Iată care arată care substanțe au mobilitatea necesară. Structura lor cristalină se află la jumătatea distanței dintre atomic și metal. Introducerea impurităților într-un material reduce întotdeauna mobilitatea. Aceasta explică faptul că coeficientul termo-emf pentru aliaje este mai mare decât pentru materialele pure. Dar impuritățile cresc r. Pentru o substanță ideală care nu există în natură, coeficientul termo-EMF ar trebui să mențină o valoare constantă egală cu 172 μV/K. Este necesar ca concentrația să se modifice conform legii indicate în figură (vezi paragraful 2).

Semiconductorii se disting prin capacitatea de a selecta materiale în care concentrația purtătorilor de sarcină depinde de temperatură și de a le găsi pe cele în care diferența este aproape zero. Combinând aceste calități, este posibil să încercăm să găsim materialul cel mai apropiat de ideal.

Modele de frigidere

Pentru a spori efectul, elementele Peltier sunt combinate în paralel. În același timp, puterile lor se adună. Pentru a vă proiecta propriile frigidere, trebuie să fiți conștienți de calculul pierderilor de căldură prin structuri plane. Au fost create calculatoare speciale, multe sunt disponibile online.

Proiectarea la întâmplare este neprofitabilă din motive evidente. Și vestea bună este că elementele Peltier au scăzut semnificativ din preț în ultimii ani. Pe Ali Express, cumpărați produse de 60 W din China pentru 300 de ruble. Nu este greu să vezi că poți asambla un frigider pentru 3000. Și ce temperatură se va menține depinde de designul care necesită calcul.