Peltier etkisi, bir devreden akım geçtiğinde, farklı iletkenlerin kontaklarından Joule ısısına ek olarak Peltier ısısının da açığa çıkması veya emilmesidir. Peltier ısı miktarı Q pşarjla orantılı BT, temas yoluyla geçti

Nerede P– Peltier katsayısı.

Akıntının yönünü değiştirirseniz soğuk ve sıcak temaslar yer değiştirecek.

Peltier ve Seebeck etkileri arasında doğrudan bir bağlantı vardır: Sıcaklık farkı, farklı iletkenlerden oluşan bir devrede elektrik akımına neden olur ve böyle bir devreden geçen akım, kontaklar arasında sıcaklık farkı yaratır. Bu ilişki Thomson denklemi ile ifade edilir

Peltier etkisinin mekanizması en basit ve açık bir şekilde metal-n-yarıiletken-metal devresi kullanılarak açıklanabilir; pinlerin nerede olduğu doğal. Bu durumda metal ve yarı iletkenin iş fonksiyonları eşittir, bant bükülmeleri ve tükenme veya zenginleşme katmanları yoktur. Denge durumunda, metalin ve yarı iletkenin Fermi seviyeleri aynı yükseklikte bulunur ve iletim bandının alt kısmı metalin Fermi seviyesinin üzerinde bulunur, bu nedenle metalden yarı iletkene hareket eden elektronlar için, potansiyel bir yükseklik bariyeri var - E fp(Şekil 7.12, A).

A) B)

Pirinç. 7.12. Enerji devre şeması metal-n-yarı iletken – metal:

A– denge durumları; B– akımın geçişi.

Devreye potansiyel farkı uygulayalım sen(Şekil 7.12, B). Bu potansiyel fark esas olarak yüksek dirençli alana düşecektir; seviyelerin yüksekliğinde sürekli bir değişimin olacağı bir yarı iletkende. Devrede sağdan sola doğru bir elektron akışı belirir.

Doğru temastan geçerken elektron enerjisinde artış olması gerekir. Bu enerji saçılma işlemleri sonucunda kristal kafes tarafından elektronlara aktarılır, bu da bu bölgedeki kafesin termal titreşimlerinin azalmasına yol açar, yani. ısı emilimini sağlar. Sol temasta ters süreç meydana gelir - fazla enerjinin elektronlar tarafından aktarılması E pf kristal kafes.

Denge yük taşıyıcılarının arayüzü geçtikten sonra dengesiz oldukları ve ancak kristal kafes ile enerji alışverişi yaptıktan sonra dengeye geldikleri belirtilmelidir.

Bu hususlara dayanarak Peltier katsayısını tahmin edeceğiz. Bir metalin iletkenliği, ortalama enerjisi neredeyse Fermi enerjisine eşit olan Fermi seviyesinin yakınında bulunan elektronları içerir. Dejenere olmayan bir yarı iletkende iletim elektronlarının ortalama enerjisi

Nerede R– üs bağlı olarak λ ~E r.

Böylece temastan geçen her elektron şuna eşit enerji kazanır veya kaybeder:

Bu enerjiyi elektron yüküne bölerek Peltier katsayısını elde ederiz.

veya (7.80) ve (7.73) dikkate alınarak

Benzer bir ilişki metal-p-yarı iletken kontağı için de elde edilebilir

Burada NC Ve NV– iletim bandı ve değerlik bandındaki durumların etkin yoğunlukları (Bölüm 5.3).

Metal-metal teması için Peltier katsayısı (7.79) kullanılarak belirlenebilir.

P 12 =(α 1 -α 2)T, (7.85)

veya α ifadesini dikkate alarak

Nerede E f 1 ve E f 2 – Metallerdeki Fermi seviyeleri.

Etkinin oluşma mekanizmasının analizi, metal-metal teması için Peltier katsayısının, metal-yarı iletken teması durumunda olduğundan önemli ölçüde daha küçük olduğunu göstermektedir (bkz. paragraf 7.1, 7.2).

Aksine, farklı yarı iletkenler arasındaki temasta Peltier katsayısı önemli ölçüde daha yüksek olur, bu da p-n bağlantısının sınırındaki daha yüksek potansiyel bariyerden kaynaklanır. Ek olarak, böyle bir devrede geçişlerden birinin ileri yönde, ikincisinin ise ters yönde bağlandığı ortaya çıkıyor. İlk durumda geçerli olur rekombinasyon elektron-delik çiftleri ve ek ısının açığa çıkması ve ikincisinde meydana gelir nesil buhar ve buna bağlı olarak aynı miktarda ısının emilmesi.

Akımın geçişi sırasında temasın soğutma etkisi, önemli pratik öneme sahiptir, çünkü elektronik ekipmanı soğutmak için termoelektrik buzdolaplarının ve ekipmanın destek elemanları için termal stabilizatörlerin oluşturulmasına olanak tanır. Biyoloji ve tıpta kullanılan çeşitli soğutma rafları da üretilmektedir.

Fonksiyonel termal elektroniklerde bu etki, termal darbeler - bilgi taşıyıcıları oluşturmak için kullanılır.

1834 yılında J. Peltier tarafından keşfedildi; J. Peltier, iki farklı iletkenin bağlantı noktasından bir akım geçtiğinde bağlantı noktası sıcaklığının değiştiğini keşfetti. 1838'de E. H. Lenz, yeterince güçlü bir akımla, akımın yönünü değiştirerek bir bağlantı noktasına uygulanan bir damla suyu dondurmanın veya kaynatmanın mümkün olduğunu gösterdi.

Peltier etkisinin özü, geçerken elektrik akımı iki metalin veya yarı iletkenin temas alanlarındaki teması yoluyla, normal Joule ısısına ek olarak, Peltier ısısı adı verilen ek bir miktar ısı açığa çıkar veya emilir. Q p. Akımın karesiyle orantılı olan Joule ısısının aksine, büyüklük Q p akımın birinci gücüyle orantılıdır.

Q p = P.I. T.

T- mevcut geçiş süresi,

BEN- mevcut güç.

P- Peltier katsayısı, teması oluşturan malzemelerin doğasına bağlı bir orantı katsayısı. Teorik kavramlar Peltier katsayısını iletken elektronların mikroskobik özellikleri aracılığıyla ifade etmeyi mümkün kılar.

Peltier katsayısı P = T D A, Nerede T- mutlak sıcaklık ve Δ α - iletkenlerin termoelektrik katsayılarındaki fark. Akımın yönü Peltier ısısının salınıp salınmayacağını veya emilip emilmeyeceğini belirler.

Etkinin nedeni, metaller veya yarı iletkenler arasındaki temas durumunda sınırda bir iç temas potansiyeli farkının ortaya çıkmasıdır. Bu, mevcut taşıyıcıların ortalama enerjisi enerji spektrumlarına, konsantrasyonlarına ve dağılım mekanizmalarına bağlı olduğundan ve farklı iletkenlerde farklı olduğundan, kontağın her iki tarafındaki taşıyıcıların potansiyel enerjisinin farklı olmasına yol açar. Akım transferine katılan elektronların ortalama enerjisi farklı iletkenlerde farklılık gösterdiğinden, kafes iyonlarıyla çarpışma sürecinde taşıyıcılar fazla kinetik enerjiyi kafese verir ve ısı açığa çıkar. Bir temastan geçerken taşıyıcıların potansiyel enerjisi azalırsa, kinetik enerjileri artar ve kafes iyonlarıyla çarpışan elektronlar enerjilerini ortalama bir değere çıkarırken Peltier ısısı emilir. Böylece, elektronlar bir temastan geçtiğinde, elektronlar ya fazla enerjiyi atomlara aktarır ya da masrafları kendilerine ait olmak üzere yeniler.

Elektronların yarı iletkenden metale geçişi sırasında, yarı iletkenin iletim elektronlarının enerjisi, metalin Fermi seviyesinden (bkz. Fermi enerjisi) önemli ölçüde daha yüksektir ve elektronlar fazla enerjilerinden vazgeçerler. Peltier etkisi özellikle soğutma ünitelerinde mikro buzdolaplarının oluşturulması da dahil olmak üzere soğutma ve ısıtma yarı iletken cihazları oluşturmak için kullanılan yarı iletkenlerde güçlüdür.

İki farklı yarı iletkenin veya bir metal ile bir yarı iletkenin temasında ısının salınması veya emilmesi (akımın yönüne bağlı olarak)

Animasyon

Tanım

Peltier etkisi, Seebeck etkisinin tersi olan termoelektrik bir olgudur: kontaktaki iki farklı maddenin (iletkenler veya yarı iletkenler) bir temasından (bağlantısından) bir elektrik akımı I geçtiğinde Joule ısısına ek olarak ek Peltier ısısı da oluşur. QP akımın bir yönünde serbest bırakılır ve ters yönde emilir.

Üretilen ısı miktarı Q P ve işareti, temas eden maddelerin türüne, akımın gücüne ve geçiş zamanına bağlıdır:

dQ P = p 12 H I H dt.

Burada p 12 = p 1 -p 2 Peltier katsayısıdır. bu kişi temas eden malzemelerin mutlak Peltier katsayıları p 1 ve p 2 ile ilişkilidir. Bu durumda akımın birinci örnekten ikinciye aktığı varsayılır. Peltier ısısı serbest bırakıldığında: Q P >0, p 12 >0, p 1 > p 2 elde edilir. Peltier ısısı emildiğinde negatif kabul edilir ve buna göre: Q P<0,p 12 <0, p 1

Peltier ısısı yerine genellikle birim alanın temasında her saniye salınan termal enerji olarak tanımlanan fiziksel bir miktar kullanılır. Isı yayma gücü adı verilen bu miktar aşağıdaki formülle belirlenir:

q P = p 12 H j,

burada j=I/S - akım yoğunluğu;

S - temas alanı;

bu büyüklüğün boyutu SI = W/m2'dir.

Termodinamik yasalarından Peltier katsayısı ile termogüç katsayısı a'nın şu ilişkiyle ilişkili olduğu sonucu çıkar:

p = aЧ T,

burada T mutlak temas sıcaklığıdır.

Malzemelerin önemli bir teknik özelliği olan Peltier katsayısı, kural olarak ölçülmez, ancak ölçümü daha basit olan termogüç katsayısı kullanılarak hesaplanır.

İncirde. 1 ve Şek. Şekil 2, A ve B kontaklarıyla iki farklı PP1 ve PP2 yarı iletkenden oluşan kapalı bir devreyi göstermektedir.

Peltier ısı tahliyesi (pim A)

Pirinç. 1

Peltier ısı emilimi (pim A)

Pirinç. 2

Böyle bir devreye genellikle termoelement denir ve dallarına termoelektrotlar denir. Devreden harici bir kaynak e tarafından oluşturulan bir akım akar. Pirinç. Şekil 1, A kontağında (akım PP1'den PP2'ye akar) Peltier ısısının Q P (A)>0 salındığı ve B kontağında (akım PP2'den PP1'e yönlendirilir) emiliminin Q P (B) olduğu durumu göstermektedir.<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >TELEVİZYON .

İncirde. Şekil 2'de, kaynağın işaretini değiştirmek akımın yönünü tersine değiştirir: A kontağında PP2'den PP1'e ve B kontağında PP1'den PP2'ye. Buna göre Peltier ısısının işareti ve temas sıcaklıkları arasındaki ilişki değişir: Q P(A)<0, Q P (В)>0, TA<Т В .

Yarı iletkenlerin aynı tip akım taşıyıcılarla (iki n tipi yarı iletken veya iki p tipi yarı iletken) temasında Peltier etkisinin ortaya çıkma nedeni, iki metal iletkenin temasıyla aynıdır. Bağlantının farklı taraflarındaki akım taşıyıcıları (elektronlar veya delikler), birçok nedene bağlı olarak farklı ortalama enerjilere sahiptir: enerji spektrumu, konsantrasyon, yük taşıyıcı saçılma mekanizması. Bağlantı noktasından geçen taşıyıcılar daha düşük enerjili bir alana girerlerse, fazla enerjiyi kristal kafeye aktarırlar, bunun sonucunda Peltier ısısı kontağın yakınında salınır (Q P>0) ve kontak sıcaklığı artar. Bu durumda diğer bağlantı noktasında daha yüksek enerjili bölgeye hareket eden taşıyıcılar eksik enerjiyi kafesten alırlar ve Peltier ısısı emilir (Q P)<0 ) и понижение температуры.

Peltier etkisi, tüm termoelektrik olaylar gibi, özellikle elektronik (n - tipi) ve delik (p - tipi) yarı iletkenlerden oluşan devrelerde belirgindir. Bu durumda Peltier etkisinin farklı bir açıklaması vardır. Kontaktaki akımın delikli yarı iletkenden elektronik yarı iletkene (р ® n) geçtiği durumu düşünelim. Bu durumda elektronlar ve delikler birbirlerine doğru hareket eder ve buluştuktan sonra yeniden birleşirler. Rekombinasyonun bir sonucu olarak, ısı şeklinde açığa çıkan enerji açığa çıkar. Bu durum Şekil 2'de gösterilmektedir. Şekil 3, delikli ve elektronik iletkenliğe sahip safsızlık yarı iletkenleri için enerji bantlarını (e c - iletkenlik bandı, ev - değerlik bandı) göstermektedir.

P ve n tipi yarı iletkenlerin temasında Peltier ısısının salınması

Pirinç. 3

İncirde. Şekil 4 (e c - iletim bandı, ev değerlik bandı), akımın n'den p - yarı iletkene (n ® p) gittiği durum için Peltier ısı emilimini göstermektedir.

P ve n tipi yarı iletkenlerin temasında Peltier ısı emilimi

Pirinç. 4

Burada, bir elektronik yarı iletkendeki elektronlar ve bir delik yarı iletkenindeki delikler, arayüzden uzaklaşarak zıt yönlerde hareket eder. Sınır bölgesindeki akım taşıyıcılarının kaybı, elektron ve deliklerin ikili üretimiyle telafi edilir. Bu tür çiftlerin oluşumu, kafes atomlarının termal titreşimleri tarafından sağlanan enerji gerektirir. Ortaya çıkan elektronlar ve delikler elektrik alanı tarafından zıt yönlerde çekilir. Bu nedenle kontaktan akım geçtiği sürece sürekli olarak yeni çiftler doğar. Sonuç olarak, temas halinde ısı emilecektir.

Peltier etkisinin, Joule-Lenz ısısının serbest bırakılmasıyla ilişkili genel ısınmanın arka planında fark edilebilmesi için aşağıdaki koşulun karşılanması gerekir: S Q P Si Q J . . Sonuç olarak, deneyler yapılırken dikkate alınması gereken aşağıdaki ilişkiler elde edilir:

.

burada R, ısının salındığı l uzunluğundaki termoelektrot bölümünün direncidir;

r - elektriksel direnç.

Temas sırasında açığa çıkan Peltier ısısının miktarını belirleyen Peltier katsayısı, temas eden maddelerin doğasına ve temas sıcaklığına bağlıdır: p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T , burada a 1 ve a 2 temas eden maddelerin mutlak ısıl güç katsayılarıdır. Çoğu metal çifti için termogüç katsayısı 10-5 x 10-4 V/K düzeyindeyse, yarı iletkenler için bu çok daha yüksek olabilir (1,5 x 10-3 V/K'ye kadar). Farklı iletkenlik türlerine sahip yarı iletkenler için a'nın farklı işaretleri vardır, bunun sonucunda Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.

Termogüç katsayısının karmaşık bir şekilde yarı iletkenin bileşimine ve sıcaklığına bağlı olduğu, metallerle karşılaştırıldığında ise yarı iletkenler için a'nın sıcaklığa bağımlılığının çok daha belirgin olduğu belirtilmelidir. a'nın işareti yük taşıyıcılarının işaretiyle belirlenir. Geniş bir sıcaklık aralığında yarı iletkenlerin termoelektrik özelliklerini kapsayacak genel ampirik ve çok daha az teorik formüller yoktur. Tipik olarak, bir yarı iletkenin termoelektromotor kuvveti a, T = 0'da a = 0 değerinden başlayarak, önce T ile orantılı olarak artar, daha sonra daha yavaş bir şekilde artar ve genellikle belirli bir sıcaklık aralığında ve yüksek sıcaklıklar bölgesinde sabit kalır ( 500 Kyo 700 K'dan fazla) yasaya göre ~1/T olarak azalmaya başlar.

Yarı iletkenlerin bir diğer ayırt edici özelliği, yabancı maddelerin belirleyici rolüdür; bunların tanıtılması, yalnızca değeri birçok kez değiştirmeyi değil, aynı zamanda a'nın işaretini de değiştirmeyi mümkün kılar.

Karışık iletkenliğe sahip yarı iletkenlerde deliklerin ve elektronların ısıl gücüne katkıları zıttır, bu da a ve p'nin küçük değerlerine yol açar.

Elektronların ve deliklerin konsantrasyonlarının (n) ve hareketliliğinin (u) eşit olduğu özel durumda (ne = np ve ue = yukarı), a ve p'nin değerleri sıfır olur:

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

Diğer termoelektrik olaylar gibi Peltier etkisi de doğası gereği fenomenolojiktir.

Yarı iletkenlerdeki Peltier etkisi, sıcaklık kontrolü ve soğutma cihazlarında pratik uygulamaları olan termoelektrik soğutma ve ısıtma için kullanılır.

Peltier fenomeni 1834'te J. Peltier tarafından keşfedildi.

Zamanlama özellikleri

Başlatma zamanı (-3 ile 2 arasında oturum açın);

Ömür boyu (15'ten 15'e kadar log tc);

Bozunma süresi (log td'yi -3'ten 2'ye);

Optimum gelişme zamanı (-2'den 3'e kadar log tk).

Diyagram:

Efektin teknik uygulamaları

Peltier etkisinin yarı iletkenlerde teknik uygulaması

Tüm termoelektrik soğutma cihazlarının ana teknolojik birimi, seri bağlı termoelemanlardan oluşan termoelektrik bataryadır. Metal iletkenler zayıf termoelektrik özelliklere sahip olduğundan, termoelementler yarı iletkenlerden yapılır ve termoelementin dallarından biri tamamen bir delikten (p tipi) ve diğeri tamamen elektronik (n-tipi) bir yarı iletkenden oluşmalıdır. Peltier ısısının buzdolabının içindeki temas noktalarında emileceği ve dış temas noktalarında çevredeki alana salınacağı bir akım yönü seçerseniz (Şek. 5), buzdolabının içindeki sıcaklık azalacak ve alan buzdolabının dışı ısınacaktır (bu, herhangi bir buzdolabı tasarımında olur).

Termoelektrik buzdolabının şematik diyagramı

Pirinç. 5

Termoelektrik soğutma cihazının ana özelliği soğutma verimliliğidir:

Z= a 2 /(rl) ,

burada a termogüç katsayısıdır;

r - direnç;

l yarı iletkenin termal iletkenliğidir.

Z parametresi sıcaklığın ve yük taşıyıcı konsantrasyonunun bir fonksiyonudur ve verilen her sıcaklık için Z değerinin maksimum olduğu bir optimal konsantrasyon değeri vardır. Maksimum sıcaklık düşüşü aşağıdaki ifadeyle verimlilik değeriyle ilişkilidir:

D T max = (1/2) Х Z Х T 2,

burada T, termoelementin soğuk bağlantı noktasının sıcaklığıdır.

Bireysel dallar için Z değeri ne kadar büyük olursa, verimliliği belirleyen Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2 değeri de o kadar büyük olur. tüm termoelement. Hareketlilik değerleri en yüksek ve ısı iletkenliği minimum olan yarı iletkenlerin seçilmesi tavsiye edilir. Bir yarı iletkene belirli yabancı maddelerin eklenmesi, parametrelerini (a, r, l) istenen yönde değiştirmenin ana yoludur.

Modern termoelektrik soğutma cihazları sıcaklığı +20°C'den 200°C'ye düşürmeyi sağlar; soğutma kapasiteleri genellikle 100 W'tan fazla değildir.

Teknolojik olarak p ve n iletkenliğine sahip yarı iletken malzemelerden (1) yapılan çubuklar, Şekil 2'de gösterildiği gibi metal konektörler (3) kullanılarak yalıtkan malzemeden (2) yapılmış ısı ileten levhalar üzerine monte edilir. 6.

Termoelektrik modül diyagramı

Pirinç. 6

Efekt uygulama

Yarı iletkenlerde Peltier etkisinin pratik kullanım alanları: termoelektrik soğutma cihazları oluşturmak için soğuk elde edilmesi, ısıtma amaçlı ısıtma, termostatlama, sabit sıcaklık koşulları altında kristalleşme sürecinin kontrol edilmesi.

Termoelektrik soğutma yönteminin diğer soğutma yöntemlerine göre birçok avantajı vardır. Termoelektrik cihazlar, kontrol kolaylığı, sıcaklığı hassas bir şekilde düzenleme yeteneği, gürültüsüzlük ve yüksek operasyonel güvenilirlik ile ayırt edilir. Termoelektrik cihazların ana dezavantajı, düşük verimlilikleridir, bu da bunların endüstriyel "soğuk" üretiminde kullanılmasına izin vermez.

Termoelektrik soğutma cihazları, ev ve taşıma buzdolaplarında, termostatlarda, radyoelektronik ve optik ekipmanların ısıya duyarlı elemanlarının soğutulması ve termostatlanması için, kristalizasyon sürecinin kontrol edilmesi için, tıbbi ve biyolojik cihazlarda vb. kullanılır.

Bilgisayar teknolojisinde, termoelektrik soğutma cihazları argo adı “coolers” (İngilizce soğutucudan - soğutucudan) taşır.

Edebiyat

1. Fiziksel ansiklopedi.- M.: Büyük Rus Ansiklopedisi, 1998.- T.5.- S.98-99, 125.

2. Sivukhin S.D. Genel fizik dersi - M.: Nauka, 1977. - T.3. Elektrik.- S.490-494.

3. Stilbans L.S. Yarı iletkenlerin fiziği - M., 1967. - P.75-83, 292-311.

4.Ioffe A.F. Yarı iletken termo elemanlar - M., 1960.

Anahtar Kelimeler

Peltier etkisi Peltier etkisi

akım iki farklı iletkenin kontağından (bağlantısından) geçtiğinde ısının salınması veya emilmesi. Isı miktarı akımın gücüyle orantılıdır. Soğutma ünitelerinde kullanılır. 1834 yılında J. Peltier tarafından açılmıştır.

PELTIER ETKİSİ, termoelektrik olaylar için (santimetre. TERMOELEKTRİK OLAYI), bir elektrik akımı iki farklı iletkenin bir kontağından (bağlantısından) geçtiğinde ısının salınması veya emilmesinden oluşur. Peltier etkisi Seebeck etkisinin tersidir (santimetre. SEEBEC ETKİSİ).
1834 yılında J. Pelletier tarafından keşfedildi (santimetre. PELTIER Jean Charles Atanaz) Akım iki farklı iletkenin birleşim noktasından geçtiğinde, bağlantı noktasının sıcaklığının değiştiğini keşfetti. 1838'de E. H. Lenz (santimetre. LENZ Emiliy Khristianovich) Yeterince yüksek bir akımla, akımın yönünü değiştirerek bir bağlantı noktasına uygulanan bir damla suyu dondurmanın veya kaynatmanın mümkün olduğunu gösterdi.
Peltier etkisinin özü, bir elektrik akımının temas alanındaki iki metalin veya yarı iletkenin temasından geçmesi durumunda, normal Joule ısısına ek olarak Peltier adı verilen ek bir ısı miktarının serbest bırakılması veya emilmesidir. ısı Q p. Akım kuvvetinin karesiyle orantılı olan Joule ısısının aksine, Q p değeri akımın birinci gücüyle orantılıdır.
Q p = P.I. T.
t - mevcut geçiş süresi,
ben - mevcut güç.
P, teması oluşturan malzemelerin doğasına bağlı bir orantı katsayısı olan Peltier katsayısıdır. Teorik kavramlar, Peltier katsayısının iletken elektronların mikroskobik özellikleri aracılığıyla ifade edilmesini mümkün kılar.
Peltier katsayısı P = T Da, burada T mutlak sıcaklıktır ve Da iletkenlerin termoelektrik katsayıları arasındaki farktır. Akımın yönü Peltier ısısının salınıp salınmayacağını veya emilip emilmeyeceğini belirler.
Etkinin nedeni, metaller veya yarı iletkenler arasındaki temas durumunda sınırda bir iç temas potansiyeli farkının ortaya çıkmasıdır. Bu, mevcut taşıyıcıların ortalama enerjisi enerji spektrumlarına, konsantrasyonlarına ve dağılım mekanizmalarına bağlı olduğundan ve farklı iletkenlerde farklı olduğundan, kontağın her iki tarafındaki taşıyıcıların potansiyel enerjisinin farklı olmasına yol açar. Akım transferine katılan elektronların ortalama enerjisi farklı iletkenlerde farklılık gösterdiğinden, kafes iyonlarıyla çarpışma sürecinde taşıyıcılar fazla kinetik enerjiyi kafese verir ve ısı açığa çıkar. Bir temastan geçerken taşıyıcıların potansiyel enerjisi azalırsa, kinetik enerjileri artar ve kafes iyonlarıyla çarpışan elektronlar enerjilerini ortalama bir değere çıkarırken Peltier ısısı emilir. Böylece, elektronlar bir temastan geçtiğinde, elektronlar ya fazla enerjiyi atomlara aktarır ya da masrafları kendilerine ait olmak üzere yeniler.
Elektronların yarı iletkenden metale geçişi sırasında, yarı iletkenin iletim elektronlarının enerjisi Fermi seviyesinden önemli ölçüde daha yüksektir (bkz. Fermi enerjisi (santimetre. FERMİ ENERJİ)) metal ve elektronlar fazla enerjilerinden vazgeçerler. Peltier etkisi özellikle soğutma ünitelerinde mikro buzdolaplarının oluşturulması da dahil olmak üzere soğutma ve ısıtma yarı iletken cihazları oluşturmak için kullanılan yarı iletkenlerde güçlüdür.

ansiklopedik sözlük. 2009 .

Diğer sözlüklerde “Peltier etkisi”nin ne olduğunu görün:

Elektriğin geçişi sırasında ısının salınması veya emilmesi. mevcut I'in iki farklı teması yoluyla. iletkenler. Akımın yönü değiştiğinde ısı salınımının yerini soğurma alır. Fransızca açıldı Fizikçi J. Peltier, 1834'te. Isı miktarı... ... Fiziksel ansiklopedi

Peltier etkisi, bir elektrik akımı iki farklı iletkenin temasından geçtiğinde ısının serbest bırakılması veya emilmesi işlemidir. Üretilen ısının miktarı ve işareti, temas eden maddelerin türüne, mevcut kuvvete ve geçiş süresine bağlıdır... ... Vikipedi

Akım iki farklı iletkenin bir kontağından (bağlantısından) geçtiğinde ısının salınması veya emilmesi. Isı miktarı akımın gücüyle orantılıdır. Soğutma ünitelerinde kullanılır. 1834 yılında J. Pelletier tarafından açıldı... Büyük Ansiklopedik Sözlük

Bir elektrik akımı iki farklı iletkenin bir kontağından (bağlantısından) geçtiğinde ısının salınması veya emilmesi. Akımın yönü değiştiğinde ısı salınımının yerini soğurma alır. 1834 yılında J. Peltier tarafından keşfedilmiştir. Tahsis edilen miktar veya ... Büyük Sovyet Ansiklopedisi

Peltier etkisi, iki farklı iletkenin temas noktasından (bağlantı noktasından) bir elektrik akımı geçtiğinde ısının açığa çıktığı veya emildiği termoelektrik bir olgudur. Üretilen ısı miktarı ve işareti türüne bağlıdır ... Wikipedia

Peltier etkisi, iki farklı malzemenin içinden bir elektrik akımı geçtiğinde aralarında sıcaklık farkının ortaya çıkmasıyla birlikte ortaya çıkan bir süreçtir. İlk olarak akademisyen ve mucit Lenz tarafından açıklanmıştır.

Teşekkür

SSCB Bilimler Akademisi ve Akademisyen A.F.'nin minnettarlığını görmezden gelemeyiz. Ioffe'ye SSCB'de termoelektriğin geliştirilmesi ve araştırma sonuçlarının kamuoyunun dikkatine sunulması konusundaki muazzam çalışması için teşekkür ederiz.

Uygulanabilirlik

Peltier etkisi soğutma için kullanılır; Joule-Lenz yasasına göre herhangi bir iletken tarafından ısıtma mümkündür. Bu nedenle, fenomen faydalıdır:

1. Alçak gerilim ve doğru akım buzdolapları oluşturmak. Güç polaritesini değiştirirken ısıtma imkanı ile. Batı'da seyahat sandviçi üreticileri bu şekilde tasarlanıyor. Soğuk ürünün bozulmasını önler, ters polarite ise ürünü sıcak servis etmenizi sağlar.
2. İşlemci soğutucuları, sistem biriminin genel gürültü özelliklerine önemli bir katkıda bulunur. Bunları Peltier elemanlarıyla değiştirirseniz bazen ortak bir fan yeterlidir. Çok gürültülü değil, kasanın güçlü bir radyatörü yok ve montaj güvenilir (anakart malzemesinin aksine).

Soğutma teorisinin gelişimi

Peltier etkisi bilim adamlarının pek ilgisini çekmedi ve işe yaramaz görünüyordu. 1834 yılında açılan bu alandaki ilk önemli teknik çözümler bulunmaya başlayana kadar, bir yüzyıldan fazla bir süre boyunca bilimsel kütüphanelerin raflarında toz toplanmıştır. Örneğin Altenkirch (1911), soğutma ünitelerinde Peltier etkisinin kullanılmasının imkansız olduğunu beyan etmiş; hesaplamalarında alaşımlar ve yarı iletkenler yerine saf metallerin kullanımına güvenmiştir.

Alman bilim adamının sonuçlarının yanlışlığı daha sonra doğrulandı ve burada SSCB Bilimler Akademisi'nin yarı iletken laboratuvarı önemli bir rol oynadı. 1950'ye gelindiğinde, sonraki birkaç yıl içinde ilk elektrotermal buzdolabının yaratılmasını mümkün kılan tutarlı bir teori yaratıldı. Göreceli olarak% 20'lik düşük bir verimlilikle cihaz, sıcaklığı 24 derece düşürdü ve bu çoğu durumda ev içi amaçlar için yeterliydi. Yıllar sonra sıcaklık farkı zaten 60 dereceydi.

50'li yılların fiziğinde Peltier elemanı, freon yerine elektron gazı içeren bir soğutma makinesi olarak düşünülüyordu. Buna göre sistem gözden geçirildi. Ana parametre soğutma katsayısıdır, birim zaman başına alınan ısı miktarının harcanan güce oranıdır. Modern freon klimalar ve buzdolapları için bu rakam birin üzerindedir. 50'li yıllarda Peltier unsuru ancak %20'ye ulaşıyordu.

Termodinamik açısından etki

Peltier etkisi, belirli miktarda elektrik akımında ne kadar enerjinin aktarıldığını gösteren bir formülle açıklanmaktadır. Zaman birimleriyle ifade edersek cihazın gücü bulunur ve buna göre buzdolabının ihtiyaçları belirlenir. İşlemci soğutucuları için sessiz Peltier elemanları günümüzde popülerdir. Küçük bir plaka kalıbı soğutur ve soğutucunun radyatörü tarafından soğutulur. Peltier elemanı, ısıyı merkezi işlemciden uzaklaştırarak aşırı ısınmasını önleyen bir ısı pompası görevi görür.

Şekildeki formülde alfa, elementin yarılarının (bileşenlerinin) termo-EMF katsayılarını belirtir. T – Kelvin derece cinsinden çalışma sıcaklığı. Her elementte, kural olarak, Thomson'un bir yan etkisi vardır: bir iletken içinden bir akım akarsa ve hat boyunca bir sıcaklık gradyanı (yön farkı) varsa, Joule ısısına ek olarak başka bir ısı da açığa çıkacaktır. İkincisi Thomson adını taşıyor. Zincirin belirli bölümlerinde enerji emilecektir. Bu, Thomson etkisinin ısıtıcıların ve buzdolaplarının çalışması üzerinde güçlü bir etkiye sahip olduğu anlamına gelir. Ancak daha önce de söylediğimiz gibi bu, hesaba katılmayan bir yan faktördür.

Formülasyonlardan, maksimum verime ulaşmak için etkili bir çözümün, bağlantı noktaları arasındaki ısı yalıtımı olacağı anlaşılmaktadır. Çift, termo-EMF üretebilen yarı iletkenler kullanıyor; elektrik akımının direncini aşması gerekiyor. Harcanan enerji, maddelerin sıcaklık farkı ve termo-EMF katsayıları farkıyla orantılıdır ve akan akıma bağlıdır. Bağımlılık grafikleri eğrileri temsil eder ve uç noktaları bulmak için bunları farklılaştırarak, maksimum sıcaklık farkına (oda ile buzdolabı arasında) ulaşma koşullarını elde etmek mümkündür.

Rakamlar, termokuplun R direnci için en uygun akımların ve soğutma etkisindeki maksimum artışın hesaplandığı türev alma işleminin sonuçlarını göstermektedir. Bu formüllerden ideal bir arabanın şu durumlarda elde edileceği sonucu çıkar:

• Termokupl malzemelerinin elektriksel iletkenliği aynıdır.
• Termokupl malzemelerinin ısı iletkenliği aynıdır.
• Termo-EMF katsayıları aynıdır ancak işaret bakımından zıttır.
• Termokupl dallarının kesitleri ve uzunlukları aynıdır.

Bu koşulların pratikte uygulanması zordur. Bu durumda sınırlayıcı performans katsayısı, soğuk bağlantı sıcaklığının sıcaklık farkına oranına eşittir. Bunun ideal bir arabanın özelliği olduğunu ancak gerçekte hala ulaşılamaz olduğunu hatırlayalım.

Peltier elemanları kullanılarak bir soğutma makinesinin çalışması nasıl optimize edilir

Şekillerde Peltier elemanlarının verimliliğini etkileyen miktarların grafikleri gösterilmektedir. Gözünüze çarpan ilk şey, yük taşıyıcıların konsantrasyonu arttıkça termo-emk katsayısının sıfıra doğru yönelmesidir. Bu, metallerin termokupl yapımı için en iyi malzeme olarak kabul edilmediğini hatırlatır. Tam tersine termal iletkenlik artar. Termodinamikte iki bileşenden oluştuğuna inanılmaktadır:

1. Kristal kafesin ısıl iletkenliği.
2. Isı iletkenliği elektroniktir. Belli nedenlerden ötürü, bu bileşen serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonuna bağlıdır ve sunulan grafikte eğrinin büyümesine neden olur. Kristal kafesin termal iletkenliği neredeyse sabit kalır.

Araştırmacılar termo-emf katsayısının karesi ile elektriksel iletkenliğin çarpımı ile ilgileniyorlar. Söz konusu değer performans katsayısı ifadesinin payında yer almaktadır. Verilere göre ekstremum, santimetre küp başına birimin 10 ila 19'uncu kuvveti bölgesindeki serbest taşıyıcıların konsantrasyonunda gözleniyor. Bu, saf metallerde gözlemlenenden üç kat daha küçüktür ve bundan doğrudan yarı iletkenlerin Peltier elemanları için ideal malzeme olacağı sonucu çıkar.

Apsis ekseni boyunca daha küçük yönde ikinci bileşenin payı zaten nispeten küçüktür; bu aralıktan da malzeme almak mümkündür. Dielektriklerin elektriksel iletkenliği çok düşüktür, bu da onların bu bağlamda kullanımının imkansızlığını açıklamaktadır. Bütün bunlar, Altenkirch'in vardığı sonuçların neden ciddiye alınmadığının nedenini belirlememize olanak sağlıyor.

Peltier elementlerine uygulanan kuantum teorisi

Termodinamik kesin bir hesaplamaya izin vermez, ancak Peltier elemanları için malzeme seçme sürecini niteliksel olarak açıklar. Durumu düzeltmek için fizikçiler kuantum teorisinden yardım istiyorlar. Serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonu, kimyasal potansiyel ve Boltzmann sabiti ile ifade edilen aynı değerlerle çalışır. Bu tür teorilere genellikle kinetik (veya mikroskobik) adı da verilir çünkü en küçük parçacıkların yanıltıcı ve bilinmeyen dünyası dikkate alınır. Tanımlamalar arasında şunlar vardır:

1. Ben yük taşıyıcılarının serbest yoludur. Sıcaklığa bağlıdır. Sonuç, elektron saçılma mekanizması r'nin derece indeksi ile belirlenir (atom kafesleri için bu 0'dır; iyonik kafesler ve Debye'nin altındaki sıcaklıklar için - 0,5; Debye'nin üstünde - 1; safsızlık iyonları tarafından saçılma için - 2).
2. f Fermi dağılım fonksiyonudur (enerji seviyeleri üzerinden).
3. x, yük taşıyıcılarının azaltılmış kinetik enerjisidir.

Fermi fonksiyonlarının integralleri tablolarda listelenmiştir; hesaplamaları zor değildir. Mikroskobik teorinin denklemleri, soğutma katsayısının bulunmasına olanak tanıyan termo-EMF ve elektriksel iletkenlik katsayılarına göre çözülür. Bu karmaşık operasyonlar B.I. Seebeck katsayısının optimal değerinin 150 ila 400 μV/K aralığında olduğunu ancak saçılma mekanizmasının derecesine bağlı olduğunu bulan Bock. İlk bakışta metaller için değerlerin gözetilmediği açıktır. Sonuç olarak, Ioffe liderliğindeki bir grup fizikçi, termokupllar için en iyi malzemenin bir dizi koşulu karşılaması gerektiğini gösterdi:

1. Taşıyıcı hareketliliğinin kristal kafesin termal iletkenlik katsayısına maksimum oranı.
2. Şekilde gösterilen formüle göre taşıyıcı konsantrasyonu.

Başkan Yardımcısı Juse hangi maddelerin gerekli hareketliliğe sahip olduğunu gösteriyor. Kristal yapıları atomik ve metalik arasında ortadadır. Bir malzemeye yabancı maddelerin girmesi her zaman hareketliliği azaltır. Bu, alaşımlar için termo-emk katsayısının saf malzemelere göre daha yüksek olduğu gerçeğini açıklamaktadır. Ancak safsızlıklar r'yi artırır. Doğada bulunmayan ideal bir madde için termo-EMF katsayısının 172 μV/K'ye eşit sabit bir değerde kalması gerekir. Konsantrasyonun şekilde belirtilen yasaya göre değişmesi gerekmektedir (bkz. paragraf 2).

Yarı iletkenler, yük taşıyıcılarının konsantrasyonunun sıcaklığa bağlı olduğu malzemeleri seçme ve farkın pratik olarak sıfır olduğu malzemeleri bulma yeteneğiyle ayırt edilirler. Bu nitelikleri birleştirerek ideale en yakın malzemeyi bulmaya çalışmak mümkündür.

Buzdolabı tasarımları

Efekti arttırmak için Peltier elemanları paralel olarak birleştirilir. Aynı zamanda güçleri de artıyor. Kendi buzdolaplarınızı tasarlamak için düzlemsel yapılardan kaynaklanan ısı kaybının hesaplanmasını bilmeniz gerekir. Özel hesap makineleri oluşturuldu, çoğu çevrimiçi olarak mevcut.

Rastgele tasarım yapmak bariz nedenlerden dolayı kârsızdır. İyi haber şu ki Peltier elemanlarının fiyatı son yıllarda önemli ölçüde düştü. Ali Express'te Çin'den 60 W ürünleri 300 rubleye satın alın. 3000'e buzdolabı monte edebileceğinizi görmek zor değil. Ve hangi sıcaklığı koruyacağı hesaplama gerektiren tasarıma bağlıdır.