ผลกระทบของเพลเทียร์คือเมื่อกระแสไหลผ่านวงจร ที่หน้าสัมผัสของตัวนำที่ไม่เหมือนกัน นอกเหนือจากความร้อนของจูล ความร้อนของเพลเทียร์จะถูกปล่อยหรือดูดซับ ปริมาณความร้อนเพลเทียร์ คิวพีเป็นสัดส่วนต่อการชาร์จ มัน, ผ่านการติดต่อกัน

ที่ไหน ป– สัมประสิทธิ์เพลเทียร์

หากเปลี่ยนทิศทางกระแสลมเย็นและ ผู้ติดต่อที่ร้อนแรงจะเปลี่ยนสถานที่

มีการเชื่อมโยงโดยตรงระหว่างเอฟเฟกต์ Peltier และ Seebeck: ความแตกต่างของอุณหภูมิทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรที่ประกอบด้วยตัวนำที่ไม่เหมือนกัน และกระแสที่ไหลผ่านวงจรดังกล่าวจะสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหน้าสัมผัส ความสัมพันธ์นี้แสดงโดยสมการของทอมสัน

กลไกของเอฟเฟกต์ Peltier สามารถอธิบายได้ง่ายและชัดเจนที่สุดโดยใช้วงจรโลหะ-n-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะ หมุดอยู่ที่ไหน เป็นกลาง- ในกรณีนี้ ฟังก์ชั่นการทำงานของโลหะและเซมิคอนดักเตอร์จะเท่ากัน ไม่มีการโค้งงอของแถบ และชั้นพร่องหรือเสริมสมรรถนะ ในสภาวะสมดุล ระดับ Fermi ของโลหะและเซมิคอนดักเตอร์จะอยู่ที่ความสูงเท่ากัน และด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้าจะอยู่เหนือระดับ Fermi ของโลหะ ดังนั้น สำหรับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากโลหะไปยังเซมิคอนดักเตอร์ มีสิ่งกีดขวางความสูงที่อาจเกิดขึ้น - อีเอฟพี(รูปที่ 7.12, ก).

ก) ข)

ข้าว. 7.12. แผนภาพวงจรพลังงาน โลหะ-n-เซมิคอนดักเตอร์ – โลหะ:

ก– สภาวะสมดุล ข– การผ่านของกระแส

ให้เราใช้ความต่างศักย์กับวงจร คุณ(รูปที่ 7.12, ข- ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นนี้จะตกอยู่บริเวณที่มีแนวต้านสูงเป็นหลัก เช่น ในเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งจะมีการเปลี่ยนแปลงความสูงของระดับอย่างต่อเนื่อง การไหลของอิเล็กตรอนปรากฏขึ้นในวงจร ไล่จากขวาไปซ้าย

เมื่อผ่านการสัมผัสที่ถูกต้อง จำเป็นต้องเพิ่มพลังงานอิเล็กตรอน พลังงานนี้ถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนโดยตาข่ายคริสตัลอันเป็นผลมาจากกระบวนการกระเจิงซึ่งนำไปสู่การลดลงของการสั่นสะเทือนทางความร้อนของตาข่ายในภูมิภาคนี้เช่น เพื่อการดูดซับความร้อน ทางด้านซ้ายของการสัมผัสกระบวนการย้อนกลับเกิดขึ้น - การถ่ายโอนพลังงานส่วนเกินโดยอิเล็กตรอน อี pfตาข่ายคริสตัล

ควรสังเกตว่าตัวพาประจุสมดุลหลังจากข้ามส่วนต่อประสานแล้วกลายเป็นความไม่สมดุลและกลายเป็นสมดุลหลังจากแลกเปลี่ยนพลังงานกับโครงตาข่ายคริสตัลเท่านั้น

จากการพิจารณาเหล่านี้ เราจะประมาณค่าสัมประสิทธิ์ Peltier ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะเกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้กับระดับเฟอร์มี ซึ่งพลังงานเฉลี่ยเกือบเท่ากับพลังงานเฟอร์มี พลังงานเฉลี่ยของการนำอิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่เสื่อมสภาพ

ที่ไหน ร– ขึ้นอยู่กับเลขชี้กำลัง λ ~อีอาร์.

ดังนั้นอิเล็กตรอนแต่ละตัวที่ผ่านหน้าสัมผัสจะได้รับหรือสูญเสียพลังงานเท่ากับ

เมื่อหารพลังงานนี้ด้วยประจุอิเล็กตรอน เราจะได้ค่าสัมประสิทธิ์เพลเทียร์

หรือคำนึงถึง (7.80) และ (7.73)

สามารถรับความสัมพันธ์ที่คล้ายกันได้สำหรับหน้าสัมผัสโลหะ-p-เซมิคอนดักเตอร์

ที่นี่ เอ็น ซีและ เอ็น วี– ความหนาแน่นประสิทธิผลของสถานะในแถบการนำไฟฟ้าและแถบเวเลนซ์ (ส่วนที่ 5.3)

สำหรับการสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะ สามารถกำหนดค่าสัมประสิทธิ์ Peltier ได้โดยใช้ (7.79)

ป 12 =(α 1 -α 2)ต, (7.85)

หรือคำนึงถึงนิพจน์สำหรับ α

ที่ไหน อีฉ 1 และ อีฉ 2 – ระดับเฟอร์มีในโลหะ

การวิเคราะห์กลไกการเกิดผลกระทบแสดงให้เห็นว่าค่าสัมประสิทธิ์ Peltier สำหรับการสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะมีค่าน้อยกว่าในกรณีของการสัมผัสระหว่างโลหะกับสารกึ่งตัวนำ (ดูย่อหน้าที่ 7.1, 7.2)

ในการสัมผัสระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกัน ในทางกลับกัน ค่าสัมประสิทธิ์ Peltier จะสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเป็นผลมาจากสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นที่สูงกว่าที่ขอบเขตของทางแยก p-n นอกจากนี้ในวงจรดังกล่าวการเปลี่ยนแปลงครั้งหนึ่งจะเชื่อมต่อกันในทิศทางไปข้างหน้าและครั้งที่สองในทิศทางย้อนกลับ ในกรณีแรกจะมีชัย การรวมตัวกันอีกครั้งคู่ของหลุมอิเล็กตรอนและการปล่อยความร้อนเพิ่มเติมและในวินาทีนั้นก็มี รุ่นไอน้ำและการดูดซับความร้อนในปริมาณเท่ากัน

ผลการทำความเย็นของหน้าสัมผัสระหว่างการไหลของกระแสไฟฟ้ามีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างมาก เนื่องจากช่วยให้สามารถสร้างตู้เย็นเทอร์โมอิเล็กทริกเพื่อทำความเย็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และตัวปรับความร้อนเพื่อรองรับองค์ประกอบของอุปกรณ์ นอกจากนี้ยังมีการผลิตชั้นวางทำความเย็นหลายแบบเพื่อใช้ในด้านชีววิทยาและการแพทย์

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงความร้อนที่ใช้งานได้ เอฟเฟกต์นี้ใช้เพื่อสร้างพัลส์ความร้อน - ตัวพาข้อมูล

ค้นพบในปี 1834 โดย J. Peltier ผู้ค้นพบว่าเมื่อกระแสไหลผ่านจุดเชื่อมต่อของตัวนำสองตัวที่ต่างกัน อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อจะเปลี่ยนไป ในปี ค.ศ. 1838 E. H. Lenz แสดงให้เห็นว่าด้วยกระแสน้ำที่แรงเพียงพอ คุณสามารถทำให้หยดน้ำที่จุดเชื่อมต่อกลายเป็นน้ำแข็งหรือเดือดได้โดยการเปลี่ยนทิศทางของกระแสน้ำ

แก่นแท้ของเอฟเฟกต์ Peltier ก็คือเมื่อผ่าน กระแสไฟฟ้าผ่านการสัมผัสของโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์สองตัวในบริเวณที่สัมผัสกันนอกเหนือจากความร้อนของจูลตามปกติแล้วยังมีการปล่อยหรือดูดซับความร้อนเพิ่มเติมอีกจำนวนหนึ่งเรียกว่าความร้อน Peltier คิวพี- ต่างจากความร้อนของจูลซึ่งเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแสซึ่งก็คือขนาด คิวพีเป็นสัดส่วนกับกำลังแรกของกระแส

Q p = P. I. ที.

ที- เวลาผ่านไปปัจจุบัน

ฉัน- ความแรงในปัจจุบัน

ป- ค่าสัมประสิทธิ์ Peltier ซึ่งเป็นค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนที่ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัสดุที่ก่อให้เกิดการสัมผัส แนวคิดทางทฤษฎีทำให้สามารถแสดงค่าสัมประสิทธิ์ Peltier ผ่านลักษณะเฉพาะระดับจุลภาคของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าได้

สัมประสิทธิ์เพลเทียร์ ป = ต ดีก, ที่ไหน ต- อุณหภูมิสัมบูรณ์ และ Δ α - ความแตกต่างในสัมประสิทธิ์เทอร์โมอิเล็กทริกของตัวนำ ทิศทางของกระแสจะเป็นตัวกำหนดว่าความร้อนของ Peltier จะถูกปล่อยหรือดูดซับหรือไม่

สาเหตุของผลกระทบก็คือ ในกรณีที่มีการสัมผัสกันระหว่างโลหะหรือสารกึ่งตัวนำ ความต่างศักย์ไฟฟ้าในการสัมผัสภายในจะเกิดขึ้นที่ขอบเขต สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าพลังงานศักย์ของพาหะทั้งสองด้านของการสัมผัสจะแตกต่างกัน เนื่องจากพลังงานเฉลี่ยของพาหะในปัจจุบันขึ้นอยู่กับสเปกตรัมพลังงาน ความเข้มข้น และกลไกการกระจายตัวของพวกมัน และจะแตกต่างกันไปในตัวนำที่แตกต่างกัน เนื่องจากพลังงานเฉลี่ยของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนกระแสไฟฟ้าแตกต่างกันไปในตัวนำที่แตกต่างกัน ในกระบวนการชนกับไอออนของโครงตาข่าย ตัวพาจะปล่อยพลังงานจลน์ส่วนเกินให้กับโครงตาข่าย และความร้อนจะถูกปล่อยออกมา หากเมื่อผ่านการสัมผัสพลังงานศักย์ของพาหะลดลงพลังงานจลน์ของพวกมันจะเพิ่มขึ้นและอิเล็กตรอนที่ชนกับไอออนของโครงตาข่ายจะเพิ่มพลังงานเป็นค่าเฉลี่ยในขณะที่ความร้อนของ Peltier จะถูกดูดซับ ดังนั้น เมื่ออิเล็กตรอนผ่านหน้าสัมผัส อิเล็กตรอนจะถ่ายโอนพลังงานส่วนเกินไปยังอะตอมหรือเติมเต็มด้วยค่าใช้จ่าย

ในระหว่างการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากเซมิคอนดักเตอร์เป็นโลหะ พลังงานของอิเล็กตรอนการนำของเซมิคอนดักเตอร์จะสูงกว่าระดับเฟอร์มี (ดูพลังงานเฟอร์มี) ของโลหะอย่างมีนัยสำคัญ และอิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานส่วนเกินออกไป Peltier Effect มีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษในเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งใช้ในการสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็นและทำความร้อน รวมถึงการสร้างตู้เย็นขนาดเล็กในหน่วยทำความเย็น

การปลดปล่อยหรือการดูดกลืน (ขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแส) ความร้อนเมื่อสัมผัสกันของสารกึ่งตัวนำสองตัวที่ไม่เหมือนกันหรือโลหะกับสารกึ่งตัวนำ

แอนิเมชั่น

คำอธิบาย

เอฟเฟกต์ Peltier เป็นปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริก ซึ่งตรงกันข้ามกับเอฟเฟกต์ Seebeck: เมื่อกระแสไฟฟ้า I ถูกส่งผ่านหน้าสัมผัส (ทางแยก) ของสารสองชนิดที่แตกต่างกัน (ตัวนำหรือเซมิคอนดักเตอร์) ที่หน้าสัมผัส นอกเหนือจากความร้อนของจูลแล้ว ความร้อนของ Peltier เพิ่มเติม Q P ถูกปล่อยออกมาในทิศทางหนึ่งของกระแสและถูกดูดซับไปในทิศทางตรงกันข้าม

ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้น Q P และสัญญาณของมันขึ้นอยู่กับชนิดของสารที่สัมผัส ความแรงของกระแส และเวลาที่มันผ่านไป:

dQ P = p 12 H I H dt.

โดยที่ p 12 = p 1 -p 2 คือสัมประสิทธิ์ Peltier การติดต่อนี้ที่เกี่ยวข้องกับสัมประสิทธิ์ Peltier สัมบูรณ์ p 1 และ p 2 ของวัสดุที่สัมผัส ในกรณีนี้ สันนิษฐานว่ากระแสไหลจากตัวอย่างแรกไปยังตัวอย่างที่สอง เมื่อความร้อนของ Peltier ถูกปล่อยออกมา เราจะได้: Q P >0, p 12 >0, p 1 > p 2 เมื่อความร้อนของ Peltier ถูกดูดซับจะถือว่าเป็นค่าลบและตาม: Q P<0,p 12 <0, p 1

แทนที่จะใช้ความร้อนแบบเพลเทียร์ มักใช้ปริมาณทางกายภาพ ซึ่งหมายถึงพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาทุกๆ วินาทีที่การสัมผัสกันของพื้นที่หน่วย ปริมาณนี้เรียกว่ากำลังการปลดปล่อยความร้อนถูกกำหนดโดยสูตร:

คิว P = พี 12 H เจ

โดยที่ j=I/S - ความหนาแน่นกระแส;

S - พื้นที่สัมผัส;

มิติของปริมาณนี้คือ SI = W/m2

จากกฎของอุณหพลศาสตร์ ค่าสัมประสิทธิ์ Peltier และค่าสัมประสิทธิ์กำลังความร้อน a มีความสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์:

พี = Ч T,

โดยที่ T คืออุณหภูมิสัมผัสสัมบูรณ์

ตามกฎแล้วค่าสัมประสิทธิ์ Peltier ซึ่งเป็นลักษณะทางเทคนิคที่สำคัญของวัสดุไม่ได้วัด แต่คำนวณโดยใช้ค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมพาวเวอร์ซึ่งการวัดนั้นง่ายกว่า

ในรูป 1 และรูป รูปที่ 2 แสดงวงจรปิดที่ประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์ PP1 และ PP2 สองตัวที่มีหน้าสัมผัส A และ B

การปล่อยความร้อน Peltier (พิน A)

ข้าว. 1

การดูดซับความร้อน Peltier (พิน A)

ข้าว. 2

วงจรดังกล่าวมักเรียกว่าเทอร์โมอิลิเมนต์และกิ่งก้านของมันถูกเรียกว่าเทอร์โมอิเล็กโทรด กระแสที่ฉันสร้างขึ้นโดยแหล่งภายนอก e ไหลผ่านวงจร ข้าว. 1 แสดงให้เห็นสถานการณ์เมื่อที่หน้าสัมผัส A (กระแสไหลจาก PP1 ถึง PP2) ความร้อนของ Peltier จะถูกปล่อยออกมา Q P (A)>0 และที่หน้าสัมผัส B (กระแสไหลโดยตรงจาก PP2 ถึง PP1) การดูดซับของมันคือ Q P (B)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >ที วี.

ในรูป 2 การเปลี่ยนเครื่องหมายของแหล่งกำเนิดจะเปลี่ยนทิศทางของกระแสไปในทางตรงกันข้าม: จาก PP2 เป็น PP1 บนหน้าสัมผัส A และจาก PP1 เป็น PP2 บนหน้าสัมผัส B ดังนั้นสัญญาณของความร้อน Peltier และความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิสัมผัสจึงเปลี่ยนไป: Q P (A)<0, Q P (В)>0, ที เอ<Т В .

สาเหตุของการเกิด Peltier effect ที่การสัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์กับพาหะกระแสไฟฟ้าประเภทเดียวกัน (เซมิคอนดักเตอร์ชนิด n สองตัวหรือเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p สองตัว) จะเหมือนกับในกรณีที่สัมผัสกันของตัวนำโลหะสองตัว พาหะปัจจุบัน (อิเล็กตรอนหรือรู) ที่ด้านต่างๆ ของทางแยกมีพลังงานเฉลี่ยที่แตกต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับหลายสาเหตุ: สเปกตรัมพลังงาน ความเข้มข้น กลไกการกระเจิงของตัวพาประจุ หากพาหะผ่านทางแยกแล้วเข้าไปในพื้นที่ที่มีพลังงานต่ำกว่า พลังงานดังกล่าวจะถ่ายเทพลังงานส่วนเกินไปยังโครงตาข่ายคริสตัล ซึ่งส่งผลให้ความร้อนของ Peltier ถูกปล่อยออกมาใกล้กับหน้าสัมผัส (Q P >0) และอุณหภูมิหน้าสัมผัสเพิ่มขึ้น ในกรณีนี้ ที่ทางแยกอีกทางหนึ่ง พาหะจะเคลื่อนที่ไปยังบริเวณที่มีพลังงานสูงกว่า ยืมพลังงานที่หายไปจากโครงตาข่าย และความร้อนของ Peltier จะถูกดูดซับ (Q P<0 ) и понижение температуры.

เอฟเฟกต์ Peltier เช่นเดียวกับปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกทั้งหมดเด่นชัดโดยเฉพาะในวงจรที่ประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ (ชนิด n) และรู (ชนิด p) ในกรณีนี้ เอฟเฟกต์ Peltier มีคำอธิบายที่แตกต่างออกไป ให้เราพิจารณาสถานการณ์เมื่อกระแสในหน้าสัมผัสเปลี่ยนจากเซมิคอนดักเตอร์แบบรูไปเป็นแบบอิเล็กทรอนิกส์ (р ® n) ในกรณีนี้อิเล็กตรอนและรูจะเคลื่อนเข้าหากันและเมื่อพบกันแล้วจะรวมตัวกันอีกครั้ง จากการรวมตัวกันใหม่ พลังงานจะถูกปล่อยออกมาซึ่งถูกปล่อยออกมาในรูปของความร้อน สถานการณ์นี้แสดงไว้ในรูปที่ 3 ซึ่งแสดงแถบพลังงาน (ec - แถบการนำไฟฟ้า, e v - แถบวาเลนซ์) สำหรับเซมิคอนดักเตอร์เจือปนที่มีรูและการนำไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์

การปล่อยความร้อน Peltier เมื่อสัมผัสกันของสารกึ่งตัวนำชนิด p และ n

ข้าว. 3

ในรูป 4 (ec - แถบการนำไฟฟ้า, e v - แถบวาเลนซ์) แสดงให้เห็นการดูดซับความร้อนของ Peltier สำหรับกรณีที่กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนจาก n ถึง p - เซมิคอนดักเตอร์ (n ® p)

การดูดซับความร้อน Peltier เมื่อสัมผัสกันของสารกึ่งตัวนำชนิด p และ n

ข้าว. 4

ตรงนี้ อิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์และรูในเซมิคอนดักเตอร์แบบรูจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม โดยเคลื่อนออกจากส่วนต่อประสาน การสูญเสียพาหะปัจจุบันในบริเวณขอบเขตจะได้รับการชดเชยด้วยการผลิตอิเล็กตรอนและรูแบบคู่ การก่อตัวของคู่ดังกล่าวต้องใช้พลังงานซึ่งได้มาจากการสั่นสะเทือนทางความร้อนของอะตอมขัดแตะ อิเล็กตรอนและรูที่เกิดขึ้นจะถูกสนามไฟฟ้าดึงไปในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นตราบใดที่กระแสไหลผ่านหน้าสัมผัส คู่ใหม่ก็จะเกิดอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ความร้อนถูกดูดซับไปเมื่อสัมผัสกัน

เพื่อให้เอฟเฟกต์ Peltier มองเห็นได้ชัดเจนบนพื้นหลังของความร้อนทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยความร้อนของ Joule-Lenz ต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขต่อไปนี้: S Q P Si Q J . - เป็นผลให้ได้รับความสัมพันธ์ต่อไปนี้ซึ่งจะต้องนำมาพิจารณาเมื่อทำการทดลอง:

.

โดยที่ R คือความต้านทานของส่วนเทอร์โมอิเล็กโทรดที่มีความยาว l ที่ความร้อนถูกปล่อยออกมา

r - ความต้านทานไฟฟ้า

ค่าสัมประสิทธิ์ Peltier ซึ่งกำหนดปริมาณความร้อนของ Peltier ที่ปล่อยออกมาที่จุดสัมผัส ขึ้นอยู่กับลักษณะของสารที่สัมผัสและอุณหภูมิที่สัมผัส: p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T โดยที่ 1 และ 2 คือค่าสัมประสิทธิ์กำลังความร้อนสัมบูรณ์ของสารที่สัมผัสกัน หากคู่โลหะส่วนใหญ่มีค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมพาวเวอร์อยู่ที่ 10-5 x 10-4 V/K ดังนั้นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ ค่าสัมประสิทธิ์ความร้อนจะสูงกว่านี้มาก (สูงถึง 1.5 x 10-3 V/K) สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน a มีสัญญาณที่แตกต่างกันซึ่งเป็นผลมาจากการที่ Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S

ควรสังเกตว่าค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมพาวเวอร์ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและอุณหภูมิของเซมิคอนดักเตอร์ในวิธีที่ซับซ้อนในขณะที่เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะแล้ว การพึ่งพาอุณหภูมิของ a สำหรับเซมิคอนดักเตอร์นั้นเด่นชัดกว่ามาก เครื่องหมายของ a ถูกกำหนดโดยเครื่องหมายของผู้ให้บริการชาร์จ ไม่มีสูตรเชิงประจักษ์ทั่วไปหรือในทางทฤษฎีที่น้อยกว่ามากที่จะครอบคลุมคุณสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง โดยทั่วไป แรงเทอร์โมอิเล็กโตรโมทีฟ a ของเซมิคอนดักเตอร์ โดยเริ่มจากค่า a = 0 ที่ T = 0 จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของ T ก่อน จากนั้นจึงช้ากว่านั้น มักจะคงที่ในช่วงอุณหภูมิหนึ่ง และในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง ( มากกว่า 500 Kyo 700 K) เริ่มลดลงตามกฎหมาย a~ 1/T.

คุณสมบัติที่โดดเด่นอีกประการหนึ่งของเซมิคอนดักเตอร์คือบทบาทชี้ขาดของสิ่งสกปรกซึ่งการแนะนำซึ่งทำให้ไม่เพียง แต่จะเปลี่ยนค่าหลายครั้งเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนเครื่องหมายของ a ได้อีกด้วย

ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าแบบผสมการมีส่วนร่วมของความร้อนของรูและอิเล็กตรอนจะตรงกันข้ามซึ่งนำไปสู่ค่า a และ p เล็กน้อย

ในกรณีเฉพาะเมื่อความเข้มข้น (n) และการเคลื่อนที่ (u) ของอิเล็กตรอนและรูเท่ากัน (ne = np และ ue = up) ค่าของ a และ p จะกลายเป็นศูนย์:

a~ (ne ue - np ขึ้น) / (ne ue + np ขึ้น)

ปรากฏการณ์ Peltier ก็เหมือนกับปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกอื่นๆ ที่เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ

เอฟเฟกต์ Peltier ในเซมิคอนดักเตอร์ใช้สำหรับการทำความเย็นและการทำความร้อนแบบเทอร์โมอิเล็กทริก ซึ่งมีการใช้งานจริงในการควบคุมอุณหภูมิและอุปกรณ์ทำความเย็น

ปรากฏการณ์เพลเทียร์ถูกค้นพบโดยเจ. เพลเทียร์ในปี พ.ศ. 2377

ลักษณะการกำหนดเวลา

เวลาเริ่มต้น (บันทึกเป็น -3 ถึง 2)

อายุการใช้งาน (บันทึก tc จาก 15 ถึง 15);

เวลาย่อยสลาย (log td จาก -3 ถึง 2)

เวลาของการพัฒนาที่เหมาะสมที่สุด (บันทึก tk จาก -2 ถึง 3)

แผนภาพ:

การใช้งานทางเทคนิคของเอฟเฟกต์

การใช้งานทางเทคนิคของเอฟเฟกต์ Peltier ในเซมิคอนดักเตอร์

หน่วยเทคโนโลยีหลักของอุปกรณ์ทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกทั้งหมดคือแบตเตอรี่เทอร์โมอิเล็กทริกที่ประกอบจากเทอร์โมอิลิเมนต์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม เนื่องจากตัวนำโลหะมีคุณสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกที่อ่อนแอ เทอร์โมอิลิเมนต์จึงทำจากเซมิคอนดักเตอร์ และสาขาหนึ่งของเทอร์โมอิลิเมนต์ควรประกอบด้วยรูล้วนๆ (p-type) และอีกอันหนึ่งของเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ล้วนๆ (n-type) หากคุณเลือกทิศทางปัจจุบัน (รูปที่ 5) ซึ่งความร้อนของ Peltier จะถูกดูดซับที่หน้าสัมผัสที่อยู่ภายในตู้เย็นและปล่อยออกสู่พื้นที่โดยรอบที่หน้าสัมผัสภายนอก อุณหภูมิภายในตู้เย็นจะลดลง และพื้นที่ ภายนอกตู้เย็นจะร้อนขึ้น (ซึ่งเกิดขึ้นที่ตู้เย็นทุกดีไซน์)

แผนผังของตู้เย็นเทอร์โมอิเล็กทริก

ข้าว. 5

ลักษณะสำคัญของอุปกรณ์ทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกคือประสิทธิภาพการทำความเย็น:

Z= ก 2 /(rl) ,

โดยที่ a คือสัมประสิทธิ์เทอร์โมพาวเวอร์

r - ความต้านทาน;

l คือค่าการนำความร้อนของเซมิคอนดักเตอร์

พารามิเตอร์ Z เป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิและความเข้มข้นของตัวพาประจุ และสำหรับแต่ละอุณหภูมิที่กำหนด จะมีค่าความเข้มข้นที่เหมาะสมที่สุดโดยที่ค่า Z เป็นค่าสูงสุด การลดอุณหภูมิสูงสุดสัมพันธ์กับค่าประสิทธิภาพตามนิพจน์:

D T สูงสุด = (1/2) X Z XX T 2,

โดยที่ T คืออุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อความเย็นของเทอร์โมเอลิเมนต์

ยิ่งค่า Z สำหรับแต่ละสาขามากขึ้น ค่าของ Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2 ก็จะยิ่งมากขึ้น ซึ่งเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพ เทอร์โมอิลิเมนต์ทั้งหมด ขอแนะนำให้เลือกเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการเคลื่อนที่สูงสุดและค่าการนำความร้อนขั้นต่ำ การแนะนำสิ่งเจือปนบางอย่างในเซมิคอนดักเตอร์เป็นวิธีหลักในการเปลี่ยนพารามิเตอร์ (a, r, l) ในทิศทางที่ต้องการ

อุปกรณ์ทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกสมัยใหม่ช่วยลดอุณหภูมิจาก +20°C เป็น 200°C; ความสามารถในการทำความเย็นมักจะไม่เกิน 100 วัตต์

ในทางเทคโนโลยี แท่งที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้า p และ n (1) ถูกติดตั้งบนแผงนำความร้อนที่ทำจากวัสดุฉนวน (2) โดยใช้ขั้วต่อโลหะ (3) ดังแสดงในรูปที่ 1 6.

แผนภาพโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก

ข้าว. 6

การใช้เอฟเฟ็กต์

พื้นที่หลักในการใช้งานจริงของ Peltier Effect ในเซมิคอนดักเตอร์: การรับความเย็นเพื่อสร้างอุปกรณ์ทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริก การทำความร้อนเพื่อให้ความร้อน การควบคุมอุณหภูมิ การควบคุมกระบวนการตกผลึกภายใต้สภาวะอุณหภูมิคงที่

วิธีการทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกมีข้อดีมากกว่าวิธีการทำความเย็นแบบอื่นๆ หลายประการ อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกมีความโดดเด่นด้วยความสะดวกในการควบคุม ความสามารถในการควบคุมอุณหภูมิอย่างละเอียด ไร้เสียงรบกวน และความน่าเชื่อถือในการดำเนินงานสูง ข้อเสียเปรียบหลักของอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกคือประสิทธิภาพต่ำซึ่งไม่อนุญาตให้นำไปใช้ในการผลิตทางอุตสาหกรรมแบบ "เย็น"

อุปกรณ์ทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกใช้ในตู้เย็นในครัวเรือนและในการขนส่ง เทอร์โมสแตท สำหรับการทำความเย็นและเทอร์โมสแตทองค์ประกอบที่ไวต่อความร้อนของอุปกรณ์วิทยุอิเล็กทรอนิกส์และออพติคอล สำหรับควบคุมกระบวนการตกผลึกในอุปกรณ์ทางการแพทย์และชีวภาพ ฯลฯ

ในเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์ทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริก มีชื่อสแลงว่า "คูลเลอร์" (จากภาษาอังกฤษ คูลเลอร์ - คูลเลอร์)

วรรณกรรม

1. สารานุกรมทางกายภาพ- อ.: สารานุกรมรัสเซียผู้ยิ่งใหญ่, 1998.- ต.5.- หน้า 98-99, 125.

2. ศิวะคิน ส.ดี. หลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป - อ.: Nauka, 2520 - ต.3 การไฟฟ้า.- ส.490-494.

3. สติลบันส์ แอล.เอส. ฟิสิกส์ของเซมิคอนดักเตอร์ - ม., 2510. - หน้า 75-83, 292-311.

4. อิอฟฟ์ เอ.เอฟ. เทอร์โมอิลิเมนต์เซมิคอนดักเตอร์ - M. , 1960

คำหลัก

เพลเทียร์เอฟเฟ็กต์ เพลเทียร์เอฟเฟ็กต์

การปล่อยหรือการดูดซับความร้อนเมื่อกระแสไหลผ่านหน้าสัมผัส (ทางแยก) ของตัวนำสองตัวที่แตกต่างกัน ปริมาณความร้อนแปรผันตามความแรงของกระแสไฟฟ้า ใช้ในหน่วยทำความเย็น เปิดในปี 1834 โดย J. Peltier

PELTIER EFFECT สำหรับปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริก (ซม.ปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริก)ประกอบด้วยการปล่อยหรือการดูดซับความร้อนเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านหน้าสัมผัส (ทางแยก) ของตัวนำสองตัวที่แตกต่างกัน เอฟเฟกต์ Peltier เป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับเอฟเฟกต์ Seebeck (ซม.ซีเบ็คเอฟเฟกต์).
ค้นพบในปี 1834 โดย J. Pelletier (ซม.เปลเทียร์ ฌอง ชาลส์ อตานาซ)ซึ่งค้นพบว่าเมื่อกระแสไหลผ่านจุดเชื่อมต่อของตัวนำสองตัวที่แตกต่างกัน อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อจะเปลี่ยนไป ในปี ค.ศ. 1838 อี.เอช. เลนซ์ (ซม.เลนซ์ เอมิลี คริสเตียโนวิช)แสดงให้เห็นว่าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าสูงเพียงพอก็สามารถแข็งตัวหรือต้มน้ำที่หยดลงบนทางแยกได้โดยการเปลี่ยนทิศทางของกระแส
สาระสำคัญของเอฟเฟกต์ Peltier คือเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านการสัมผัสของโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์สองชนิดในบริเวณที่สัมผัสกัน นอกเหนือจากความร้อนของจูลตามปกติ ปริมาณความร้อนเพิ่มเติมจะถูกปล่อยหรือดูดซับเรียกว่า Peltier ความร้อน Q p ตรงกันข้ามกับความร้อนจูลซึ่งเป็นสัดส่วนกับความแรงของกระแสกำลังสอง ค่าของ Q p จะเป็นสัดส่วนกับกำลังแรกของกระแส
Q p = P. I. ที
เสื้อ - เวลาผ่านไปปัจจุบัน
ฉัน - ความแข็งแกร่งในปัจจุบัน
P คือสัมประสิทธิ์ Peltier ซึ่งเป็นสัมประสิทธิ์สัดส่วนที่ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัสดุที่ก่อให้เกิดการสัมผัส แนวคิดทางทฤษฎีทำให้สามารถแสดงค่าสัมประสิทธิ์ Peltier ผ่านลักษณะเฉพาะระดับจุลภาคของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าได้
สัมประสิทธิ์เพลเทียร์ P = T Da โดยที่ T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ และ Da คือความแตกต่างในสัมประสิทธิ์เทอร์โมอิเล็กทริกของตัวนำ ทิศทางของกระแสจะเป็นตัวกำหนดว่าความร้อนของ Peltier จะถูกปล่อยหรือดูดซับหรือไม่
สาเหตุของผลกระทบก็คือ ในกรณีที่มีการสัมผัสกันระหว่างโลหะหรือสารกึ่งตัวนำ ความต่างศักย์ไฟฟ้าในการสัมผัสภายในจะเกิดขึ้นที่ขอบเขต สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าพลังงานศักย์ของพาหะทั้งสองด้านของการสัมผัสจะแตกต่างกัน เนื่องจากพลังงานเฉลี่ยของพาหะในปัจจุบันขึ้นอยู่กับสเปกตรัมพลังงาน ความเข้มข้น และกลไกการกระจายตัวของพวกมัน และจะแตกต่างกันไปในตัวนำที่แตกต่างกัน เนื่องจากพลังงานเฉลี่ยของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนกระแสไฟฟ้าแตกต่างกันไปในตัวนำที่แตกต่างกัน ในกระบวนการชนกับไอออนของโครงตาข่าย ตัวพาจะปล่อยพลังงานจลน์ส่วนเกินให้กับโครงตาข่าย และความร้อนจะถูกปล่อยออกมา หากเมื่อผ่านการสัมผัสพลังงานศักย์ของพาหะลดลงพลังงานจลน์ของพวกมันจะเพิ่มขึ้นและอิเล็กตรอนที่ชนกับไอออนของโครงตาข่ายจะเพิ่มพลังงานเป็นค่าเฉลี่ยในขณะที่ความร้อนของ Peltier จะถูกดูดซับ ดังนั้น เมื่ออิเล็กตรอนผ่านหน้าสัมผัส อิเล็กตรอนจะถ่ายโอนพลังงานส่วนเกินไปยังอะตอมหรือเติมเต็มด้วยค่าใช้จ่าย
ในระหว่างการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากเซมิคอนดักเตอร์ไปเป็นโลหะ พลังงานของการนำอิเล็กตรอนของเซมิคอนดักเตอร์จะสูงกว่าระดับเฟอร์มีอย่างมีนัยสำคัญ (ดูพลังงานเฟอร์มี (ซม.พลังงานเฟอร์มี)) โลหะ และอิเล็กตรอนก็ปล่อยพลังงานส่วนเกินออกไป Peltier Effect มีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษในเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งใช้ในการสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็นและทำความร้อน รวมถึงการสร้างตู้เย็นขนาดเล็กในหน่วยทำความเย็น

พจนานุกรมสารานุกรม. 2009 .

ดูว่า "Peltier effect" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร:

การปล่อยหรือการดูดซับความร้อนระหว่างทางไฟฟ้า ปัจจุบันฉันผ่านการติดต่อของทั้งสองที่แตกต่างกัน ตัวนำ การระบายความร้อนจะถูกแทนที่ด้วยการดูดซับเมื่อทิศทางของกระแสเปลี่ยนไป ฝรั่งเศสเปิดแล้ว นักฟิสิกส์ เจ. เพลเทียร์ ในปี พ.ศ. 2377 ปริมาณความร้อน... ... สารานุกรมกายภาพ

ปรากฏการณ์ Peltier คือกระบวนการปล่อยหรือดูดซับความร้อนเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านหน้าสัมผัสของตัวนำที่ไม่เหมือนกันสองตัว ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นและเครื่องหมายขึ้นอยู่กับชนิดของสารที่สัมผัส ความแรงของกระแสไฟ และระยะเวลาการขนส่ง... ... Wikipedia

การปล่อยหรือการดูดซับความร้อนเมื่อกระแสไหลผ่านหน้าสัมผัส (ทางแยก) ของตัวนำสองตัวที่ต่างกัน ปริมาณความร้อนแปรผันตามความแรงของกระแสไฟฟ้า ใช้ในหน่วยทำความเย็น เปิดในปี 1834 โดย J. Pelletier... พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่

การปล่อยหรือการดูดซับความร้อนเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านหน้าสัมผัส (ทางแยก) ของตัวนำสองตัวที่ต่างกัน การระบายความร้อนจะถูกแทนที่ด้วยการดูดซับเมื่อทิศทางของกระแสเปลี่ยนไป ค้นพบโดย J. Peltier ในปี พ.ศ. 2377 จำนวนเงินที่จัดสรรหรือ ... สารานุกรมผู้ยิ่งใหญ่แห่งสหภาพโซเวียต

ปรากฏการณ์ Peltier เป็นปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกซึ่งความร้อนถูกปล่อยหรือดูดซับเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านที่จุดสัมผัส (ทางแยก) ของตัวนำสองตัวที่ไม่เหมือนกัน ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นและสัญญาณขึ้นอยู่กับประเภท ... Wikipedia

ปรากฏการณ์ Peltier เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นพร้อมกับการปรากฏตัวของความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัสดุสองชนิดที่แตกต่างกันเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุเหล่านั้น อธิบายครั้งแรกโดยนักวิชาการและนักประดิษฐ์ Lenz

รับทราบ

เราไม่สามารถเพิกเฉยต่อความกตัญญูของ USSR Academy of Sciences และ A.F. Ioffe สำหรับผลงานอันยิ่งใหญ่ของเขาเกี่ยวกับการพัฒนาเทอร์โมอิเล็กทริกในสหภาพโซเวียตและนำผลการวิจัยไปสู่ความสนใจของสาธารณชน

การบังคับใช้

Peltier effect ใช้ในการทำความเย็น โดยตัวนำใดๆ ก็ตามสามารถทำความร้อนได้ตามกฎหมาย Joule-Lenz ดังนั้นปรากฏการณ์นี้จึงมีประโยชน์:

1. เพื่อสร้างตู้เย็นไฟฟ้าแรงต่ำและไฟฟ้ากระแสตรง มีความเป็นไปได้ในการให้ความร้อนเมื่อเปลี่ยนขั้วไฟฟ้า ในโลกตะวันตก นี่คือวิธีการออกแบบเครื่องทำแซนด์วิชสำหรับเดินทาง ความเย็นช่วยให้ผลิตภัณฑ์ไม่เน่าเสีย การกลับขั้วช่วยให้คุณสามารถเสิร์ฟผลิตภัณฑ์ร้อนได้
2. ตัวระบายความร้อนของโปรเซสเซอร์มีส่วนสำคัญต่อลักษณะเสียงโดยรวมของยูนิตระบบ หากคุณแทนที่ด้วยองค์ประกอบ Peltier บางครั้งพัดลมทั่วไปก็เพียงพอแล้ว มันไม่ดังมาก เคสไม่มีหม้อน้ำที่ทรงพลัง และการติดตั้งนั้นเชื่อถือได้ (ต่างจากวัสดุของเมนบอร์ด)

การพัฒนาทฤษฎีการทำความเย็น

เอฟเฟกต์ Peltier ไม่ได้ดึงดูดความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์อย่างใกล้ชิดและดูไร้ประโยชน์ เปิดในปี พ.ศ. 2377 โดยรวบรวมฝุ่นบนชั้นวางของห้องสมุดวิทยาศาสตร์มานานกว่าศตวรรษก่อนที่จะพบวิธีแก้ปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญครั้งแรกในพื้นที่นี้ ตัวอย่างเช่น Altenkirch (1911) ประกาศว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้เอฟเฟกต์ Peltier ในหน่วยทำความเย็น ในการคำนวณของเขา เขาอาศัยการใช้โลหะบริสุทธิ์แทนโลหะผสมและเซมิคอนดักเตอร์

การเข้าใจผิดของข้อสรุปของนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้รับการยืนยันในภายหลังซึ่งห้องปฏิบัติการเซมิคอนดักเตอร์ของ USSR Academy of Sciences มีบทบาทสำคัญ ภายในปี 1950 ทฤษฎีที่สอดคล้องกันได้ถูกสร้างขึ้นว่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า จะทำให้สามารถสร้างตู้เย็นความร้อนด้วยไฟฟ้าเครื่องแรกได้ ด้วยประสิทธิภาพที่ค่อนข้างต่ำเพียง 20% อุปกรณ์จึงลดอุณหภูมิลง 24 องศา ซึ่งโดยส่วนใหญ่ก็เพียงพอสำหรับใช้ในครัวเรือน หลายปีต่อมา อุณหภูมิที่แตกต่างกันอยู่ที่ 60 องศาแล้ว

ในฟิสิกส์ของทศวรรษที่ 50 องค์ประกอบ Peltier ถือเป็นเครื่องทำความเย็นที่ใช้ก๊าซอิเล็กตรอนแทนฟรีออน จึงได้มีการทบทวนระบบ พารามิเตอร์หลักคือค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นอัตราส่วนของปริมาณความร้อนที่ได้รับต่อหน่วยเวลาต่อพลังงานที่ใช้ไป สำหรับเครื่องปรับอากาศและตู้เย็นแบบฟรีออนสมัยใหม่ ตัวเลขดังกล่าวเกินหนึ่งตัว ในช่วงทศวรรษที่ 50 องค์ประกอบ Peltier แทบจะไม่ถึง 20%

ผลกระทบจากมุมมองของอุณหพลศาสตร์

เอฟเฟกต์ Peltier อธิบายได้ด้วยสูตรที่แสดงปริมาณพลังงานที่ถูกถ่ายโอนที่กระแสไฟฟ้าจำนวนหนึ่ง การแสดงเป็นหน่วยเวลาจะพบพลังของอุปกรณ์ตามความต้องการของตู้เย็น องค์ประกอบ Silent Peltier สำหรับตัวทำความเย็นโปรเซสเซอร์ได้รับความนิยมในปัจจุบัน แผ่นขนาดเล็กจะทำให้แม่พิมพ์เย็นลงและระบายความร้อนด้วยหม้อน้ำของเครื่องทำความเย็น องค์ประกอบ Peltier ทำหน้าที่เป็นปั๊มความร้อนซึ่งรับประกันว่าจะขจัดความร้อนออกจากโปรเซสเซอร์กลาง เพื่อป้องกันไม่ให้ร้อนเกินไป

ในสูตรในรูป อัลฟ่าหมายถึงค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โม-EMF ของครึ่งหนึ่ง (ส่วนประกอบ) ขององค์ประกอบ T คืออุณหภูมิในการทำงานเป็นองศาเคลวิน ตามกฎแล้วในแต่ละองค์ประกอบจะมีผลข้างเคียงของทอมสัน: หากกระแสไหลผ่านตัวนำและมีการไล่ระดับอุณหภูมิ (ความแตกต่างทิศทาง) ตามแนวเส้น ความร้อนอื่น ๆ จะถูกปล่อยออกมานอกเหนือจากความร้อนของจูล คนหลังชื่อทอมสัน ในบางส่วนของโซ่พลังงานจะถูกดูดซับ ซึ่งหมายความว่าเอฟเฟกต์ของ Thomson มีอิทธิพลอย่างมากต่อการทำงานของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็น แต่ดังที่กล่าวไปแล้ว มันเป็นปัจจัยข้างเคียงที่ไม่สามารถระบุได้

จากสูตรพบว่าวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดคือฉนวนกันความร้อนระหว่างทางแยก ทั้งคู่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถสร้างเทอร์โม EMF ได้ โดยกระแสไฟฟ้าจะต้องเอาชนะความต้านทานของมันได้ พลังงานที่ใช้ไปจะเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิและความแตกต่างในค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โม-EMF ของสาร และขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหล กราฟการพึ่งพาแสดงถึงเส้นโค้ง และด้วยการแยกความแตกต่างเพื่อหาค่าสุดขั้ว จึงเป็นไปได้ที่จะได้เงื่อนไขเพื่อให้บรรลุถึงความแตกต่างของอุณหภูมิสูงสุด (ระหว่างห้องและตู้เย็น)

ตัวเลขแสดงผลการดำเนินการหาอนุพันธ์โดยคำนวณกระแสที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความต้านทาน R ของเทอร์โมคัปเปิลและการเพิ่มขึ้นสูงสุดของผลการทำความเย็น จากสูตรเหล่านี้จะได้รถยนต์ในอุดมคติหาก:

• ค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุเทอร์โมคัปเปิลจะเท่ากัน
• ค่าการนำความร้อนของวัสดุเทอร์โมคัปเปิลจะเท่ากัน
• ค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โม-EMF เท่ากัน แต่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม
• ส่วนและความยาวของกิ่งเทอร์โมคัปเปิลจะเท่ากัน

เป็นการยากที่จะนำเงื่อนไขเหล่านี้ไปใช้ในทางปฏิบัติ ในกรณีนี้ ค่าสัมประสิทธิ์ขีดจำกัดของประสิทธิภาพจะเท่ากับอัตราส่วนของอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อเย็นต่อความแตกต่างของอุณหภูมิ ให้เราจำไว้ว่านี่คือลักษณะของรถในอุดมคติ แต่ในความเป็นจริงมันยังไม่สามารถบรรลุได้

วิธีเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องทำความเย็นโดยใช้องค์ประกอบ Peltier

ตัวเลขแสดงกราฟของปริมาณที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพขององค์ประกอบ Peltier สิ่งแรกที่ดึงดูดสายตาของคุณก็คือค่าสัมประสิทธิ์แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเทอร์โมมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์เมื่อความเข้มข้นของตัวพาประจุเพิ่มขึ้น นี่เป็นเครื่องเตือนใจว่าโลหะไม่ถือเป็นวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตเทอร์โมคัปเปิ้ล ในทางกลับกันค่าการนำความร้อนจะเพิ่มขึ้น ในทางอุณหพลศาสตร์เชื่อว่าประกอบด้วยสององค์ประกอบ:

1. การนำความร้อนของโครงตาข่ายคริสตัล
2. การนำความร้อนเป็นแบบอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยเหตุผลที่ชัดเจน องค์ประกอบนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของผู้ให้บริการที่เสียค่าใช้จ่าย และทำให้เกิดการเติบโตของเส้นโค้งในกราฟที่นำเสนอ ค่าการนำความร้อนของโครงตาข่ายคริสตัลยังคงเกือบคงที่

นักวิจัยมีความสนใจในผลคูณของกำลังสองของสัมประสิทธิ์แรงเคลื่อนไฟฟ้าเทอร์โมและค่าการนำไฟฟ้า ค่าดังกล่าวอยู่ในตัวเศษของนิพจน์สำหรับสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ จากข้อมูลดังกล่าว พบว่าค่าสุดโต่งอยู่ที่ความเข้มข้นของพาหะอิสระในบริเวณ 10 ถึงกำลัง 19 ของหน่วยต่อลูกบาศก์เซนติเมตร นี่เป็นขนาดที่น้อยกว่าที่พบในโลหะบริสุทธิ์สามอันดับ ซึ่งข้อสรุปตามมาโดยตรงว่าเซมิคอนดักเตอร์จะเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับองค์ประกอบของ Peltier

ส่วนแบ่งขององค์ประกอบที่สองนั้นค่อนข้างน้อยในทิศทางที่เล็กกว่าตามแนวแกนแอบซิสซา นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะนำวัสดุจากช่วงเวลานี้ ค่าการนำไฟฟ้าของไดอิเล็กทริกต่ำเกินไปซึ่งอธิบายถึงความเป็นไปไม่ได้ในการใช้งานในบริบทนี้ ทั้งหมดนี้ทำให้เราสามารถระบุเหตุผลว่าทำไมข้อสรุปของ Altenkirch จึงไม่ได้รับการพิจารณาอย่างจริงจัง

ทฤษฎีควอนตัมนำไปใช้กับองค์ประกอบ Peltier

อุณหพลศาสตร์ไม่อนุญาตให้มีการคำนวณที่แม่นยำ แต่อธิบายกระบวนการเลือกวัสดุสำหรับองค์ประกอบ Peltier ในเชิงคุณภาพ เพื่อแก้ไขสถานการณ์ นักฟิสิกส์เรียกร้องให้ทฤษฎีควอนตัมช่วย มันทำงานด้วยค่าเดียวกัน ซึ่งแสดงผ่านความเข้มข้นของตัวพาประจุฟรี ศักยภาพทางเคมี และค่าคงที่ของ Boltzmann ทฤษฎีดังกล่าวเรียกกันทั่วไปว่าจลนศาสตร์ (หรือจุลทรรศน์) เนื่องจากพิจารณาโลกลวงตาและโลกที่ไม่รู้จักของอนุภาคขนาดเล็กที่สุด ในบรรดาการกำหนดมีดังนี้:

1. l คือเส้นทางของผู้ให้บริการฟรี ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ผลลัพธ์ถูกกำหนดโดยดัชนีระดับของกลไกการกระเจิงของอิเล็กตรอน r (สำหรับโปรยอะตอมนี่คือ 0 สำหรับโปรยไอออนิกและอุณหภูมิต่ำกว่า Debye หนึ่ง - 0.5; เหนือ Debye หนึ่ง - 1; สำหรับการกระเจิงโดยไอออนที่ไม่บริสุทธิ์ - 2)
2. f คือฟังก์ชันการกระจาย Fermi (เหนือระดับพลังงาน)
3. x คือพลังงานจลน์ที่ลดลงของตัวพาประจุ

อินทิกรัลของฟังก์ชัน Fermi แสดงอยู่ในตาราง การคำนวณนั้นไม่ยาก สมการของทฤษฎีจุลทรรศน์ได้รับการแก้ไขโดยคำนึงถึงค่าสัมประสิทธิ์ของเทอร์โม-EMF และค่าการนำไฟฟ้า ซึ่งช่วยให้สามารถค้นหาค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นได้ การดำเนินการที่ซับซ้อนเหล่านี้ดำเนินการโดย B.I. บ็อค ซึ่งพบว่าค่าที่เหมาะสมที่สุดของสัมประสิทธิ์ Seebeck อยู่ในช่วงระหว่าง 150 ถึง 400 μV/K แต่ขึ้นอยู่กับระดับของกลไกการกระเจิง เมื่อมองแวบแรกเป็นที่ชัดเจนว่าโลหะไม่ได้สังเกตค่าต่างๆ ด้วยเหตุนี้ กลุ่มนักฟิสิกส์ที่นำโดย Ioffe แสดงให้เห็นว่าวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับเทอร์โมคัปเปิลต้องเป็นไปตามเงื่อนไขหลายประการ:

1. อัตราส่วนสูงสุดของการเคลื่อนที่ของตัวพาต่อค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของโครงตาข่ายคริสตัล
2. ความเข้มข้นของตัวพาตามสูตรที่แสดงในรูป

วี.พี. Juse แสดงให้เห็นว่าสารใดมีความคล่องตัวที่จำเป็น โครงสร้างผลึกของพวกมันอยู่กึ่งกลางระหว่างอะตอมและโลหะ การนำสิ่งเจือปนเข้าไปในวัสดุจะช่วยลดความคล่องตัวเสมอ สิ่งนี้อธิบายความจริงที่ว่าค่าสัมประสิทธิ์แรงเคลื่อนไฟฟ้าความร้อนสำหรับโลหะผสมนั้นสูงกว่าวัสดุบริสุทธิ์ แต่สิ่งสกปรกเพิ่มขึ้น r สำหรับสารในอุดมคติที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ สัมประสิทธิ์เทอร์โม-EMF ควรคงค่าคงที่ไว้ที่ 172 μV/K ความเข้มข้นจะต้องเปลี่ยนแปลงตามกฎหมายที่ระบุไว้ในรูป (ดูวรรค 2)

เซมิคอนดักเตอร์มีความโดดเด่นด้วยความสามารถในการเลือกวัสดุที่ความเข้มข้นของตัวพาประจุขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และเพื่อค้นหาวัสดุที่มีค่าความแตกต่างเกือบเป็นศูนย์ ด้วยการรวมคุณสมบัติเหล่านี้เข้าด้วยกัน คุณจึงสามารถพยายามค้นหาวัสดุที่ใกล้เคียงที่สุดกับอุดมคติได้

การออกแบบตู้เย็น

เพื่อปรับปรุงเอฟเฟกต์ องค์ประกอบ Peltier จะรวมกันแบบขนาน ในขณะเดียวกัน พลังของพวกเขาก็เพิ่มขึ้น หากต้องการออกแบบตู้เย็นของคุณเอง จำเป็นต้องคำนึงถึงการคำนวณการสูญเสียความร้อนผ่านโครงสร้างระนาบ มีการสร้างเครื่องคิดเลขแบบพิเศษขึ้นมา มีหลายเครื่องที่มีจำหน่ายทางออนไลน์

การออกแบบแบบสุ่มไม่ได้ผลกำไรด้วยเหตุผลที่ชัดเจน และข่าวดีก็คือว่าส่วนประกอบ Peltier มีราคาลดลงอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ใน Ali Express ซื้อผลิตภัณฑ์ 60 W จากประเทศจีนในราคา 300 รูเบิล ดูไม่ยากว่าประกอบตู้เย็นได้ในราคา 3000 และอุณหภูมิที่จะรักษานั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบที่ต้องคำนวณ