Peltier effekti shundan iboratki, oqim zanjir orqali o'tkazilganda, bir-biriga o'xshash bo'lmagan o'tkazgichlarning kontaktlarida, Joul issiqligidan tashqari, Peltier issiqligi chiqariladi yoki so'riladi. Peltier issiqlik miqdori Q p zaryadga mutanosib Bu, aloqa orqali o'tdi

Qayerda P- Peltier koeffitsienti.

Agar oqim yo'nalishini o'zgartirsangiz, sovuq va issiq kontaktlar o'rnini almashtiradi.

Peltier va Seebek effektlari o'rtasida to'g'ridan-to'g'ri bog'liqlik mavjud: harorat farqi o'xshash bo'lmagan o'tkazgichlardan tashkil topgan kontaktlarning zanglashiga olib keladigan elektr tokini keltirib chiqaradi va bunday kontaktlarning zanglashiga olib o'tadigan oqim kontaktlari orasidagi harorat farqini hosil qiladi. Bu munosabat Tomson tenglamasi bilan ifodalanadi

Peltier ta'sirining mexanizmi metall-n-yarimo'tkazgich-metall sxemasi yordamida eng sodda va aniq tushuntirilishi mumkin; pinlar qayerda neytral. Bunday holda, metall va yarimo'tkazgichning ish funktsiyalari tengdir, tarmoqli burmalari va kamayish yoki boyitish qatlamlari mavjud emas. Muvozanat holatida metall va yarim o'tkazgichning Fermi darajalari bir xil balandlikda joylashgan va o'tkazuvchanlik zonasining pastki qismi metallning Fermi darajasidan yuqorida joylashgan, shuning uchun metalldan yarim o'tkazgichga o'tadigan elektronlar uchun, potentsial balandlik to'sig'i mavjud - E fp(7.12-rasm, A).

A) b)

Guruch. 7.12. Energiya sxemasi metall-n-yarimo'tkazgich - metall:

A- muvozanat holatlari; b- oqimning o'tishi.

Keling, kontaktlarning zanglashiga olib keladigan potentsial farqini qo'llaylik U(7.12-rasm, b). Bu potentsial farq asosan yuqori qarshilikka ega bo'lgan hududga tushadi, ya'ni. yarimo'tkazgichda, bu erda darajalar balandligida doimiy o'zgarish bo'ladi. Zanjirda o'ngdan chapga yo'naltirilgan elektronlar oqimi paydo bo'ladi.

To'g'ri kontaktdan o'tayotganda elektron energiyasini oshirish kerak. Bu energiya tarqalish jarayonlari natijasida kristall panjara orqali elektronlarga o'tkaziladi, bu esa ushbu mintaqadagi panjaraning termal tebranishlarining pasayishiga olib keladi, ya'ni. issiqlikni yutish uchun. Chap kontaktda teskari jarayon sodir bo'ladi - ortiqcha energiya elektronlar tomonidan uzatiladi E pf kristall panjara.

Shuni ta'kidlash kerakki, muvozanat zaryad tashuvchilari interfeysni kesib o'tgandan so'ng, muvozanatsiz bo'lib chiqadi va faqat kristall panjara bilan energiya almashgandan keyin muvozanatga aylanadi.

Ushbu fikrlarga asoslanib, biz Peltier koeffitsientini baholaymiz. Metallning o'tkazuvchanligi Fermi darajasiga yaqin joylashgan elektronlarni o'z ichiga oladi, ularning o'rtacha energiyasi deyarli Fermi energiyasiga teng. Degeneratsiyalanmagan yarimo'tkazgichdagi o'tkazuvchanlik elektronlarining o'rtacha energiyasi

Qayerda r– ko‘rsatkichga bog‘liq λ ~E r.

Shunday qilib, kontakt orqali o'tadigan har bir elektron teng energiya oladi yoki yo'qotadi

Ushbu energiyani elektron zaryadiga bo'linib, biz Peltier koeffitsientini olamiz

yoki (7.80) va (7.73) ni hisobga olgan holda

Xuddi shunday munosabat metall-p-yarimo'tkazgichli kontakt uchun ham olinishi mumkin

Bu yerga N C Va N V- o'tkazuvchanlik zonasi va valentlik zonasidagi holatlarning samarali zichligi (5.3-bo'lim).

Metall-metall bilan aloqa qilish uchun Peltier koeffitsienti (7.79) yordamida aniqlanishi mumkin.

P 12 =(α 1 -α 2)T, (7.85)

yoki a uchun ifodani hisobga olgan holda

Qayerda E f 1 va E f 2 – metallardagi fermi darajalari.

Ta'sirning paydo bo'lish mexanizmini tahlil qilish shuni ko'rsatadiki, metall-metall bilan aloqa qilish uchun Peltier koeffitsienti metall-yarimo'tkazgich bilan aloqa qilish holatiga qaraganda sezilarli darajada kichikdir (7.1, 7.2-bandlarga qarang).

Bir-biriga o'xshamaydigan yarimo'tkazgichlar orasidagi aloqada, aksincha, Peltier koeffitsienti sezilarli darajada yuqori bo'lib chiqadi, bu p-n o'tish chegarasidagi yuqori potentsial to'siq bilan bog'liq. Bundan tashqari, bunday sxemada o'tishlardan biri oldinga, ikkinchisi esa teskari yo'nalishda ulangan bo'ladi. Birinchi holda, u ustunlik qiladi rekombinatsiya elektron-teshik juftlari va qo'shimcha issiqlik chiqishi, ikkinchisida esa sodir bo'ladi avlod bug 'va shunga mos ravishda bir xil miqdordagi issiqlikni yutish.

Oqim o'tishi paytida kontaktning sovutish effekti muhim amaliy ahamiyatga ega, chunki u elektron jihozlarni sovutish uchun termoelektrik muzlatgichlarni va uskunaning qo'llab-quvvatlovchi elementlari uchun termal stabilizatorlarni yaratishga imkon beradi. Biologiya va tibbiyotda qo'llaniladigan turli xil sovutish tokchalari ham ishlab chiqariladi.

Funktsional termal elektronikada bu effekt termal impulslarni - axborot tashuvchilarni yaratish uchun ishlatiladi.

1834-yilda J.Peltier tomonidan kashf etilgan boʻlib, u ikki xil oʻtkazgichning tutashgan joyidan tok oʻtganda tutashuv harorati oʻzgarishini aniqlagan. 1838 yilda E. X. Lenz yetarlicha kuchli oqim bilan oqim yoʻnalishini oʻzgartirib, tutashuvga qoʻyilgan bir tomchi suvni muzlatish yoki qaynatish mumkinligini koʻrsatdi.

Peltier effektining mohiyati shundan iboratki, elektr toki ikkita metall yoki yarimo'tkazgichning kontakt joyidan o'tganda, odatdagi Joul issiqligidan tashqari, Peltier deb ataladigan qo'shimcha issiqlik miqdori chiqariladi yoki so'riladi. issiqlik Q p. Joule issiqligidan farqli o'laroq, oqimning kvadratiga mutanosib, kattaligi Q p oqimning birinchi kuchiga mutanosib.

Q p = P. I. t.

t- joriy o'tish vaqti,

I- joriy quvvat.

P- Peltier koeffitsienti, kontaktni tashkil etuvchi materiallarning tabiatiga bog'liq bo'lgan mutanosiblik koeffitsienti. Nazariy tushunchalar Peltier koeffitsientini o'tkazuvchanlik elektronlarining mikroskopik xususiyatlari orqali ifodalash imkonini beradi.

Peltier koeffitsienti P = T D a, Qayerda T- mutlaq harorat va Δ α - o'tkazgichlarning termoelektrik koeffitsientlaridagi farq. Oqim yo'nalishi Peltier issiqligining chiqarilishi yoki so'rilishini aniqlaydi.

Ta'sirning sababi shundaki, metallar yoki yarim o'tkazgichlar o'rtasidagi aloqada chegarada ichki kontakt potentsial farqi paydo bo'ladi. Bu kontaktning har ikki tomonidagi tashuvchilarning potentsial energiyasi har xil bo'lishiga olib keladi, chunki oqim tashuvchilarning o'rtacha energiyasi ularning energiya spektriga, kontsentratsiyasiga va tarqalish mexanizmlariga bog'liq va turli o'tkazgichlarda har xil bo'ladi. Tok o'tkazishda ishtirok etuvchi elektronlarning o'rtacha energiyasi turli o'tkazgichlarda har xil bo'lganligi sababli, panjara ionlari bilan to'qnashuv jarayonida tashuvchilar ortiqcha kinetik energiyani panjaraga beradi va issiqlik ajralib chiqadi. Agar kontaktdan o'tayotganda tashuvchilarning potentsial energiyasi pasaysa, ularning kinetik energiyasi ortadi va elektronlar panjara ionlari bilan to'qnashib, ularning energiyasini o'rtacha qiymatga oshiradi, Peltier issiqligi so'riladi. Shunday qilib, elektronlar kontaktdan o'tganda, elektronlar ortiqcha energiyani atomlarga o'tkazadi yoki ularni ularning hisobidan to'ldiradi.

Elektronlarning yarim o'tkazgichdan metallga o'tishida yarim o'tkazgichning o'tkazuvchan elektronlarining energiyasi metallning Fermi darajasidan (qarang Fermi energiyasi) sezilarli darajada yuqori bo'ladi va elektronlar ortiqcha energiyasidan voz kechadi. Peltier effekti, ayniqsa, yarimo'tkazgichlarda kuchli bo'lib, ular sovutish va isitish yarimo'tkazgichli qurilmalarni yaratishda, jumladan, sovutish moslamalarida mikromuzlatkichlarni yaratishda qo'llaniladi.

Ikki o'xshash bo'lmagan yarimo'tkazgichlar yoki metall va yarim o'tkazgichlar aloqa qilganda issiqlikning chiqishi yoki yutilishi (oqim yo'nalishiga qarab)

Animatsiya

Tavsif

Peltier effekti termoelektrik hodisa bo‘lib, Zeebek effektiga qarama-qarshidir: elektr toki I ikki xil moddaning (o‘tkazgichlar yoki yarimo‘tkazgichlar) kontaktidan (tushishidan) o‘tganda, Joul issiqligidan tashqari qo‘shimcha Pelti issiqligi ham paydo bo‘ladi. Q P oqimning bir yo'nalishi bo'yicha chiqariladi va teskari yo'nalishda so'riladi.

Q P hosil bo'lgan issiqlik miqdori va uning belgisi aloqa qiluvchi moddalar turiga, oqim kuchiga va uning o'tish vaqtiga bog'liq:

dQ P = p 12 H I H dt.

Bu erda p 12 = p 1 -p 2 - berilgan kontakt uchun Peltier koeffitsienti, aloqa qiluvchi materiallarning mutlaq Peltier koeffitsientlari p 1 va p 2 bilan bog'liq. Bunday holda, oqim birinchi namunadan ikkinchisiga o'tadi deb taxmin qilinadi. Peltier issiqligi chiqarilganda, bizda: Q P >0, p 12 >0, p 1 > p 2. Peltier issiqligi so'rilsa, u manfiy hisoblanadi va shunga mos ravishda: Q P<0,p 12 <0, p 1

Peltier issiqligi o'rniga, ko'pincha birlik maydonining kontaktida har soniyada chiqariladigan issiqlik energiyasi sifatida tavsiflangan jismoniy miqdor ishlatiladi. Issiqlik chiqarish quvvati deb ataladigan bu miqdor quyidagi formula bilan aniqlanadi:

q P = p 12 H j,

bu yerda j=I/S - tok zichligi;

S - aloqa maydoni;

bu miqdorning o'lchami SI = W / m2.

Termodinamika qonunlaridan kelib chiqadiki, Peltier koeffitsienti va issiqlik quvvati koeffitsienti a o'rtasidagi bog'liqlik:

p = aCh T,

bu erda T - mutlaq aloqa harorati.

Materiallarning muhim texnik tavsifi bo'lgan Peltier koeffitsienti, qoida tariqasida, o'lchanmaydi, lekin o'lchovi oddiyroq bo'lgan issiqlik quvvati koeffitsienti yordamida hisoblanadi.

Shaklda. 1 va rasm. 2-rasmda A va B kontaktlari bo'lgan ikki xil PP1 va PP2 yarimo'tkazgichlardan tashkil topgan yopiq sxema ko'rsatilgan.

Peltier issiqlik chiqishi (pin A)

Guruch. 1

Peltier issiqlik assimilyatsiya qilish (pin A)

Guruch. 2

Bunday sxema odatda termoelement deb ataladi va uning shoxlari termoelektrodlar deb ataladi. Tashqi manba tomonidan yaratilgan I oqim elektron orqali o'tadi. Guruch. 1 A kontaktida (PP1 dan PP2 ga oqim oqimlari) Peltier issiqligi Q P (A)>0 bo'lganida va B kontaktida (oqim PP2 dan PP1 ga yo'naltirilgan) uning yutilishi Q P (B) bo'lgan vaziyatni ko'rsatadi.<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >T V .

Shaklda. 2, manba belgisini o'zgartirish oqim yo'nalishini teskari tomonga o'zgartiradi: A kontaktida PP2 dan PP1 gacha va B kontaktida PP1 dan PP2 ga. Shunga ko'ra, Peltier issiqligining belgisi va aloqa harorati o'rtasidagi bog'liqlik o'zgaradi: Q P (A)<0, Q P (В)>0, T A<Т В .

Yarimo'tkazgichlarning bir xil turdagi tok tashuvchilari (ikkita n-tipli yarim o'tkazgich yoki ikkita p-tipli yarimo'tkazgich) bilan aloqa qilishda Peltier effektining paydo bo'lishining sababi ikkita metall o'tkazgichning aloqasi bilan bir xil. Birlashmaning turli tomonlaridagi oqim tashuvchilar (elektronlar yoki teshiklar) turli xil o'rtacha energiyaga ega bo'lib, ular ko'p sabablarga bog'liq: energiya spektri, konsentratsiya, zaryad tashuvchining tarqalish mexanizmi. Agar tashuvchilar tutashuvdan o'tib, kamroq energiyaga ega bo'lgan maydonga kirsa, ular ortiqcha energiyani kristall panjaraga o'tkazadilar, buning natijasida kontakt yaqinida Peltier issiqligi chiqariladi (Q P > 0) va aloqa harorati ortadi. Bunday holda, boshqa tutashgan joyda, yuqori energiyaga ega bo'lgan mintaqaga o'tadigan tashuvchilar etishmayotgan energiyani panjaradan oladi va Peltier issiqligi so'riladi (Q P).<0 ) и понижение температуры.

Peltier effekti, barcha termoelektrik hodisalar kabi, ayniqsa elektron (n - tip) va teshik (p - tip) yarim o'tkazgichlardan tashkil topgan sxemalarda yaqqol namoyon bo'ladi. Bunday holda, Peltier effekti boshqacha tushuntirishga ega. Kontaktdagi oqim teshik yarimo'tkazgichdan elektronga (r ® n) o'tganda vaziyatni ko'rib chiqaylik. Bunday holda, elektronlar va teshiklar bir-biriga qarab harakatlanadi va uchrashib, qayta birlashadi. Rekombinatsiya natijasida energiya chiqariladi, u issiqlik shaklida chiqariladi. Bu holat rasmda ko'rsatilgan. 3, bu teshik va elektron o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan nopoklik yarimo'tkazgichlar uchun energiya bantlarini (e c - o'tkazuvchanlik zonasi, e v - valentlik bandi) ko'rsatadi.

p- va n-tipli yarim o'tkazgichlar bilan aloqa qilishda Peltier issiqligining chiqishi

Guruch. 3

Shaklda. 4 (e c - o'tkazuvchanlik zonasi, e v - valentlik zonasi) oqim n dan p - yarimo'tkazgichga (n ® p) o'tganda Peltier issiqlik yutilishini ko'rsatadi.

P- va n-tipli yarimo'tkazgichlar bilan aloqa qilishda Peltier issiqlik yutilishi

Guruch. 4

Bu erda elektron yarim o'tkazgichdagi elektronlar va teshik yarim o'tkazgichdagi teshiklar qarama-qarshi yo'nalishda harakat qiladi va interfeysdan uzoqlashadi. Chegara hududidagi oqim tashuvchilarning yo'qolishi elektronlar va teshiklarning juft ishlab chiqarilishi bilan qoplanadi. Bunday juftlarning hosil bo'lishi energiyani talab qiladi, bu esa panjara atomlarining termal tebranishlari bilan ta'minlanadi. Olingan elektronlar va teshiklar elektr maydoni tomonidan qarama-qarshi yo'nalishda tortiladi. Shuning uchun, oqim kontakt orqali oqib o'tguncha, yangi juftliklar doimiy ravishda tug'iladi. Natijada, issiqlik aloqada so'riladi.

Joule-Lenz issiqligining chiqishi bilan bog'liq bo'lgan umumiy isitish fonida Peltier effekti sezilarli bo'lishi uchun quyidagi shart bajarilishi kerak: S Q P Si Q J. . Natijada, tajriba o'tkazishda e'tiborga olinishi kerak bo'lgan quyidagi munosabatlar olinadi:

.

bu erda R - issiqlik ajralib chiqadigan l uzunlikdagi termoelektrod kesimining qarshiligi;

r - elektr qarshiligi.

Kontaktda ajralib chiqadigan Peltier issiqligi miqdorini aniqlaydigan Peltier koeffitsienti aloqa qiluvchi moddalarning tabiati va aloqa haroratiga bog'liq: p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T , bu erda a 1. a 2 esa aloqa qiluvchi moddalarning mutlaq issiqlik quvvati koeffitsientlari. Agar ko'pgina metallar juftligi uchun issiqlik quvvati koeffitsienti 10-5 x 10-4 V / K ga teng bo'lsa, yarim o'tkazgichlar uchun u ancha yuqori bo'lishi mumkin (1,5 x 10-3 V / K gacha). Har xil turdagi o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan yarim o'tkazgichlar uchun a turli belgilarga ega, buning natijasida Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.

Shuni ta'kidlash kerakki, issiqlik quvvati koeffitsienti yarim o'tkazgichning tarkibi va haroratiga kompleks tarzda bog'liq bo'lib, metallar bilan solishtirganda, yarim o'tkazgichlar uchun a ning haroratga bog'liqligi ancha aniq. a ning belgisi zaryad tashuvchilarning belgisi bilan belgilanadi. Keng harorat oralig'ida yarimo'tkazgichlarning termoelektrik xususiyatlarini qamrab oladigan umumiy empirik, kamroq nazariy formulalar mavjud emas. Odatda yarimo'tkazgichning a termoelektromotor kuchi a = 0 qiymatidan boshlab T = 0 da, avval T ga mutanosib ravishda ortadi, keyin sekinroq, ko'pincha ma'lum bir harorat oralig'ida va yuqori haroratlar mintaqasida doimiy bo'lib qoladi ( 500 dan ortiq Kyo 700 K) a~ 1/T qonuniga muvofiq kamayishni boshlaydi.

Yarimo'tkazgichlarning yana bir o'ziga xos xususiyati - bu aralashmalarning hal qiluvchi roli bo'lib, ularning kiritilishi nafaqat qiymatni ko'p marta o'zgartirishga, balki a belgisini ham o'zgartirishga imkon beradi.

Aralash o'tkazuvchanlikka ega yarimo'tkazgichlarda teshiklar va elektronlarning issiqlik quvvatiga hissasi qarama-qarshidir, bu esa a va p ning kichik qiymatlariga olib keladi.

Elektronlar va teshiklarning kontsentratsiyasi (n) va harakatchanligi (u) teng bo'lganda (ne = np va ue = yuqoriga), a va p qiymatlari nolga aylanadi:

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

Peltier effekti, boshqa termoelektrik hodisalar kabi, tabiatan fenomenologikdir.

Yarimo'tkazgichlardagi Peltier effekti haroratni nazorat qilish va sovutish qurilmalarida amaliy qo'llanmalarga ega bo'lgan termoelektrik sovutish va isitish uchun ishlatiladi.

Peltier hodisasi 1834 yilda J. Peltier tomonidan kashf etilgan.

Vaqt xususiyatlari

Boshlanish vaqti (log -3 dan 2 gacha);

Hayot muddati (log tc 15 dan 15 gacha);

Degradatsiya vaqti (log td -3 dan 2 gacha);

Optimal rivojlanish vaqti (log tk -2 dan 3 gacha).

Diagramma:

Effektning texnik amalga oshirilishi

Yarimo'tkazgichlarda Peltier effektini texnik amalga oshirish

Barcha termoelektrik sovutish qurilmalarining asosiy texnologik birligi ketma-ket ulangan termoelementlardan tashkil topgan termoelektrik batareyadir. Metall o'tkazgichlar zaif termoelektrik xususiyatlarga ega bo'lganligi sababli, termoelementlar yarim o'tkazgichlardan tayyorlanadi va termoelementning shoxlaridan biri sof teshikdan (p-tip), ikkinchisi esa sof elektron (n-tip) yarim o'tkazgichdan iborat bo'lishi kerak. Agar siz hozirgi yo'nalishni tanlasangiz (5-rasm), unda Peltier issiqligi muzlatgichning ichida joylashgan kontaktlarda so'riladi va tashqi kontaktlarda atrofdagi bo'shliqqa chiqariladi, u holda muzlatgich ichidagi harorat pasayadi va bo'sh joy kamayadi. muzlatgich tashqarisida isitiladi (bu har qanday muzlatgich dizaynida sodir bo'ladi).

Termoelektrik sovutgichning sxematik diagrammasi

Guruch. 5

Termoelektrik sovutish moslamasining asosiy xususiyati uning sovutish samaradorligidir:

Z= a 2 /(rl) ,

bu erda a - issiqlik quvvati koeffitsienti;

r - qarshilik;

l - yarimo'tkazgichning issiqlik o'tkazuvchanligi.

Z parametri harorat va zaryad tashuvchisi kontsentratsiyasining funktsiyasi bo'lib, har bir berilgan harorat uchun Z qiymati maksimal bo'lgan optimal konsentratsiya qiymati mavjud. Maksimal haroratning pasayishi quyidagi ifoda bilan samaradorlik qiymatiga bog'liq:

D T max = (1/2) X Z X T 2,

bu erda T - termoelementning sovuq birikmasining harorati.

Alohida shoxlar uchun Z qiymati qanchalik katta bo'lsa, samaradorlikni aniqlaydigan Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2 qiymati katta bo'ladi. butun termoelement. Eng yuqori harakatchanlik va minimal issiqlik o'tkazuvchanligiga ega yarimo'tkazgichlarni tanlash tavsiya etiladi. Yarimo'tkazgichga ma'lum aralashmalarning kiritilishi uning parametrlarini (a, r, l) kerakli yo'nalishda o'zgartirishning asosiy mavjud vositasidir.

Zamonaviy termoelektrik sovutish moslamalari haroratni +20 ° C dan 200 ° C gacha kamaytirishni ta'minlaydi; ularning sovutish quvvati odatda 100 Vt dan oshmaydi.

Texnologik jihatdan, p- va n-o'tkazuvchanlik (1) bo'lgan yarimo'tkazgichli materiallardan tayyorlangan novdalar, shaklda ko'rsatilgandek, metall konnektorlar (3) yordamida izolyatsiyalovchi materialdan (2) tayyorlangan issiqlik o'tkazuvchi plitalarga o'rnatiladi. 6.

Termoelektrik modul diagrammasi

Guruch. 6

Effektni qo'llash

Yarimo'tkazgichlarda Peltier effektidan amaliy foydalanishning asosiy yo'nalishlari: termoelektrik sovutish moslamalarini yaratish uchun sovuqni olish, isitish uchun isitish, termostatlash, doimiy harorat sharoitida kristallanish jarayonini boshqarish.

Termoelektrik sovutish usuli boshqa sovutish usullariga nisbatan bir qancha afzalliklarga ega. Termoelektrik qurilmalar nazorat qilish qulayligi, haroratni nozik tartibga solish qobiliyati, shovqinsizligi va yuqori operatsion ishonchliligi bilan ajralib turadi. Termoelektrik qurilmalarning asosiy kamchiliklari ularning past samaradorligi bo'lib, ular "sovuq" sanoat ishlab chiqarishida foydalanishga imkon bermaydi.

Termoelektrik sovutish moslamalari maishiy va transport muzlatgichlarida, termostatlarda, radioelektron va optik qurilmalarning termosensitiv elementlarini sovutish va termostatlashda, kristallanish jarayonini boshqarishda, tibbiy va biologik asboblarda va boshqalarda qo'llaniladi.

Kompyuter texnologiyasida termoelektrik sovutish moslamalari "sovutgichlar" jargon nomiga ega (inglizcha sovutgich - sovutgichdan).

Adabiyot

1. Fizika ensiklopediyasi.- M.: Buyuk rus ensiklopediyasi, 1998.- T.5.- B.98-99, 125.

2. Sivuxin S.D. Umumiy fizika kursi.- M.: Nauka, 1977.- T.3. Elektr.- P.490-494.

3. Stilbans L.S. Yarimo'tkazgichlar fizikasi.- M., 1967. - B.75-83, 292-311.

4. Ioffe A.F. Yarimo'tkazgichli termoelementlar.- M., 1960.

Kalit so'zlar

Peltier effekti Peltier effekti

oqim ikki xil o'tkazgichning kontaktidan (birikmasidan) o'tganda issiqlikning chiqishi yoki yutilishi. Issiqlik miqdori oqim kuchiga proportsionaldir. Sovutgich qurilmalarida ishlatiladi. 1834 yilda J. Peltier tomonidan ochilgan.

Termoelektrik hodisalar uchun PELTIER EFFEKTI (sm. TERMOELEKTR HODISALAR), elektr toki ikki xil o'tkazgichning kontaktidan (birikmasidan) o'tganda issiqlikni chiqarish yoki yutishdan iborat. Peltier effekti Seebek effektining teskarisidir (sm. SEEBECK EFFEKTI).
1834 yilda J. Pelletier tomonidan kashf etilgan (sm. PELTIER Jan Charlz Atanaz), kim tok ikki xil o'tkazgichning tutashuvidan o'tganda, tutashuv harorati o'zgarishini aniqladi. 1838 yilda E. H. Lenz (sm. LENZ Emiliy Xristianovich) yetarlicha yuqori oqim bilan oqim yo‘nalishini o‘zgartirib, tutashuvga qo‘llanilgan bir tomchi suvni muzlatish yoki qaynatish mumkinligini ko‘rsatdi.
Peltier effektining mohiyati shundan iboratki, elektr toki ikkita metall yoki yarimo'tkazgichning kontakt joyidan o'tganda, odatdagi Joul issiqligidan tashqari, Peltier deb ataladigan qo'shimcha issiqlik miqdori chiqariladi yoki so'riladi. issiqlik Q p. Kvadrat oqim kuchiga mutanosib bo'lgan Joule issiqligidan farqli o'laroq, Q p qiymati oqimning birinchi kuchiga proportsionaldir.
Q p = P. I. t.
t - joriy o'tish vaqti,
I - joriy quvvat.
P - Peltier koeffitsienti, aloqani tashkil etuvchi materiallarning tabiatiga bog'liq bo'lgan mutanosiblik koeffitsienti. Nazariy tushunchalar Peltier koeffitsientini o'tkazuvchanlik elektronlarining mikroskopik xususiyatlari orqali ifodalash imkonini beradi.
Peltier koeffitsienti P = T Da, bu erda T - mutlaq harorat, Da - o'tkazgichlarning termoelektrik koeffitsientlari farqi. Oqim yo'nalishi Peltier issiqligining chiqarilishi yoki so'rilishini aniqlaydi.
Ta'sirning sababi shundaki, metallar yoki yarim o'tkazgichlar o'rtasidagi aloqada chegarada ichki kontakt potentsial farqi paydo bo'ladi. Bu kontaktning har ikki tomonidagi tashuvchilarning potentsial energiyasi har xil bo'lishiga olib keladi, chunki oqim tashuvchilarning o'rtacha energiyasi ularning energiya spektriga, kontsentratsiyasiga va tarqalish mexanizmlariga bog'liq va turli o'tkazgichlarda har xil bo'ladi. Tok o'tkazishda ishtirok etuvchi elektronlarning o'rtacha energiyasi turli o'tkazgichlarda har xil bo'lganligi sababli, panjara ionlari bilan to'qnashuv jarayonida tashuvchilar ortiqcha kinetik energiyani panjaraga beradi va issiqlik ajralib chiqadi. Agar kontaktdan o'tayotganda tashuvchilarning potentsial energiyasi pasaysa, ularning kinetik energiyasi ortadi va elektronlar panjara ionlari bilan to'qnashib, ularning energiyasini o'rtacha qiymatga oshiradi, Peltier issiqligi so'riladi. Shunday qilib, elektronlar kontaktdan o'tganda, elektronlar ortiqcha energiyani atomlarga o'tkazadi yoki ularni ularning hisobidan to'ldiradi.
Elektronlarning yarim o'tkazgichdan metallga o'tishida yarim o'tkazgichning o'tkazuvchanlik elektronlarining energiyasi Fermi darajasidan sezilarli darajada yuqori bo'ladi (qarang Fermi energiyasi (sm. FERMI ENERGYASI)) metall va elektronlar ortiqcha energiyasidan voz kechadi. Peltier effekti, ayniqsa, yarimo'tkazgichlarda kuchli bo'lib, ular sovutish va isitish yarimo'tkazgichli qurilmalarni yaratishda, jumladan, sovutish moslamalarida mikromuzlatkichlarni yaratishda qo'llaniladi.

ensiklopedik lug'at. 2009 .

Boshqa lug'atlarda "Peltier effekti" nima ekanligini ko'ring:

Elektr tokining o'tishi paytida issiqlikning chiqishi yoki yutilishi. ikki xil kontakt orqali joriy I. o'tkazgichlar. Issiqlikning chiqishi oqim yo'nalishi o'zgarganda yutilish bilan almashtiriladi. Fransuz tili ochildi fizik J. Peltier 1834 yilda issiqlik miqdori... ... Jismoniy ensiklopediya

Peltier effekti - bu ikki xil o'tkazgichning kontaktidan elektr toki o'tganda issiqlikni chiqarish yoki yutish jarayoni. Yaratilgan issiqlik miqdori va uning belgisi aloqa qiluvchi moddalar turiga, oqim kuchiga va o'tish vaqtiga bog'liq... ... Vikipediya

Ikki xil o'tkazgichning kontaktidan (birikmasidan) oqim o'tganda issiqlikning chiqishi yoki yutilishi. Issiqlik miqdori oqim kuchiga proportsionaldir. Sovutgich qurilmalarida ishlatiladi. 1834 yilda J. Pelletier tomonidan ochilgan... Katta ensiklopedik lug'at

Elektr toki ikki xil o'tkazgichning kontaktidan (birikmasidan) o'tganda issiqlikning chiqishi yoki yutilishi. Issiqlikning chiqishi oqim yo'nalishi o'zgarganda yutilish bilan almashtiriladi. 1834 yilda J. Peltier tomonidan kashf etilgan. Ajratilgan miqdor yoki ... Buyuk Sovet Entsiklopediyasi

Peltier effekti - bu termoelektrik hodisa bo'lib, u ikkita bir-biriga o'xshash bo'lmagan o'tkazgichlarning aloqa (tushish) nuqtasida elektr toki o'tganda issiqlik ajralib chiqadi yoki so'riladi. Ishlab chiqarilgan issiqlik miqdori va uning belgisi turiga bog'liq ... Vikipediya

Peltier effekti - bu ikki xil materialdan elektr toki o'tganda harorat farqi paydo bo'lishi bilan birga keladigan jarayon. Birinchi marta akademik va ixtirochi Lenz tomonidan tushuntirilgan.

Minnatdorchilik

SSSR Fanlar akademiyasi va akademik A.F.ning minnatdorchiligini e'tiborsiz qoldira olmaymiz. Ioffe SSSRda termoelektrni rivojlantirish va tadqiqot natijalarini jamoatchilik e'tiboriga etkazish bo'yicha ulkan ishlari uchun.

Qo'llanilishi

Peltier effekti sovutish uchun ishlatiladi; Joule-Lenz qonuniga binoan isitish har qanday o'tkazgich tomonidan mumkin. Shuning uchun hodisa foydalidir:

1. Past kuchlanishli va to'g'ridan-to'g'ri oqim muzlatgichlarini yaratish uchun. Quvvat polaritesini o'zgartirganda isitish imkoniyati bilan. G'arbda sayohat sendvich ishlab chiqaruvchilari shunday yaratilgan. Sovuq mahsulotning buzilishidan saqlaydi, teskari kutupluluk mahsulotga issiq xizmat qilish imkonini beradi.
2. Protsessor sovutgichlari tizim blokining umumiy shovqin xususiyatlariga katta hissa qo'shadi. Agar siz ularni Peltier elementlari bilan almashtirsangiz, ba'zida umumiy fan etarli bo'ladi. Bu juda shovqinli emas, korpusda kuchli radiator yo'q va o'rnatish ishonchli (anakart materialidan farqli o'laroq).

Sovutish nazariyasini ishlab chiqish

Peltier effekti olimlarning diqqatini jalb qilmadi va foydasiz bo'lib tuyuldi. 1834-yilda ochilgan, bu sohada birinchi muhim texnik echimlar topilgunga qadar bir asrdan ko'proq vaqt davomida ilmiy kutubxonalar javonlarida chang to'plagan. Masalan, Altenkirx (1911) sovutgich qurilmalarida Peltier effektidan foydalanish mumkin emasligini e'lon qildi, o'z hisob-kitoblarida u qotishmalar va yarim o'tkazgichlar o'rniga sof metallardan foydalanishga tayandi.

Nemis olimining xulosalarining noto'g'riligi keyinchalik tasdiqlandi, bunda SSSR Fanlar akademiyasining yarimo'tkazgichlar laboratoriyasi muhim rol o'ynadi. 1950 yilga kelib, keyingi bir necha yil ichida birinchi elektrotermik muzlatgichni yaratishga imkon beradigan izchil nazariya yaratildi. Nisbatan past samaradorlik 20% bo'lgan qurilma haroratni 24 darajaga tushirdi, bu ko'p hollarda maishiy maqsadlar uchun etarli edi. Yillar o'tib, harorat farqi allaqachon 60 daraja edi.

50-yillar fizikasida Peltier elementi freon o'rniga elektron gazli sovutgich mashinasi sifatida ko'rib chiqildi. Shunga ko'ra, tizim qayta ko'rib chiqildi. Asosiy parametr - sovutish koeffitsienti, vaqt birligi uchun olingan issiqlik miqdorining unga sarflangan quvvatga nisbati. Zamonaviy freonli konditsionerlar va muzlatgichlar uchun bu ko'rsatkich birdan oshadi. 50-yillarda Peltier elementi 20% ga zo'rg'a erishdi.

Termodinamika nuqtai nazaridan ta'sir

Peltier effekti ma'lum miqdordagi elektr tokida qancha energiya uzatilishini ko'rsatadigan formula bilan tavsiflanadi. Uni vaqt birliklarida ifodalab, qurilmaning quvvati topiladi, uning asosida muzlatgichning ehtiyojlari aniqlanadi. Protsessor sovutgichlari uchun Silent Peltier elementlari bugungi kunda mashhur. Kichkina plastinka qolipni sovutadi va sovutgichning radiatori tomonidan sovutiladi. Peltier elementi issiqlik pompasi bo'lib xizmat qiladi, bu markaziy protsessordan issiqlikni olib tashlash, uning haddan tashqari qizib ketishining oldini olish kafolatlanadi.

Shakldagi formulada alfa elementning yarmining (komponentlarining) termo-EMF koeffitsientlarini bildiradi. T - Kelvin darajalarida ish harorati. Har bir elementda, qoida tariqasida, Tomsonning yon ta'siri mavjud: agar oqim o'tkazgich orqali o'tsa va chiziq bo'ylab harorat gradienti (yo'nalish farqi) bo'lsa, Joul issiqligidan tashqari boshqa issiqlik ham chiqariladi. Ikkinchisi Tomson nomini oldi. Zanjirning ma'lum qismlarida energiya so'riladi. Bu shuni anglatadiki, Tomson effekti isitgichlar va muzlatgichlarning ishlashiga kuchli ta'sir ko'rsatadi. Ammo bu, yuqorida aytib o'tilganidek, yon, hisobga olinmagan omil.

Formulalardan ko'rinib turibdiki, maksimal samaradorlikka erishish uchun samarali yechim ulanishlar orasidagi issiqlik izolatsiyasi bo'ladi. Bu juftlik termo-EMF ishlab chiqarishga qodir bo'lgan yarimo'tkazgichlardan foydalanadi; elektr toki uning qarshiligini engib o'tishi kerak. Sarflangan energiya harorat farqi va moddalarning termo-EMF koeffitsientlari farqiga mutanosib va ​​oqim oqimiga bog'liq. Bog'liqlik grafiklari egri chiziqlarni ifodalaydi va ekstremallarni topish uchun ularni farqlash orqali maksimal harorat farqiga (xona va muzlatgich o'rtasida) erishish shartlarini olish mumkin.

Raqamlar lotinni olish operatsiyasi natijalarini ko'rsatadi, bu erda termojuftning R qarshiligi uchun optimal oqimlar va sovutish effektining maksimal oshishi hisoblanadi. Ushbu formulalardan kelib chiqadiki, ideal avtomobil quyidagi hollarda olinadi:

• Termojuft materiallarining elektr o'tkazuvchanligi bir xil.
• Termojuft materiallarining issiqlik o'tkazuvchanligi bir xil.
• Termo-EMF koeffitsientlari bir xil, ammo ishoraga qarama-qarshidir.
• Termojuft shoxlarining bo'limlari va uzunligi bir xil.

Ushbu shartlarni amalda qo'llash qiyin. Bunday holda, ishlashning cheklovchi koeffitsienti sovuq ulanish haroratining harorat farqiga nisbatiga tengdir. Esda tutingki, bu ideal avtomobilning o'ziga xos xususiyati, lekin aslida u hali ham erishib bo'lmaydi.

Peltier elementlari yordamida sovutgich mashinasining ishlashini qanday optimallashtirish mumkin

Rasmlar Peltier elementlarining samaradorligiga ta'sir qiluvchi miqdorlarning grafiklarini ko'rsatadi. Sizning e'tiboringizni tortadigan birinchi narsa, zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasi ortishi bilan termo-emf koeffitsienti nolga intiladi. Bu metallar termojuftlarni tayyorlash uchun eng yaxshi materiallar hisoblanmasligini eslatib turadi. Issiqlik o'tkazuvchanligi, aksincha, oshadi. Termodinamikada u ikki komponentdan iborat deb ishoniladi:

1. Kristal panjaraning issiqlik o'tkazuvchanligi.
2. Issiqlik o'tkazuvchanligi elektrondir. Aniq sabablarga ko'ra, bu komponent erkin zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasiga bog'liq va taqdim etilgan grafikdagi egri chiziqning o'sishiga sabab bo'ladi. Kristal panjaraning issiqlik o'tkazuvchanligi deyarli doimiy bo'lib qoladi.

Tadqiqotchilarni termo-emf koeffitsienti kvadratining ko'paytmasi va elektr o'tkazuvchanligi qiziqtiradi. Ko'rsatilgan qiymat ishlash koeffitsienti ifodasining numeratorida. Ma'lumotlarga ko'ra, ekstremum kub santimetr uchun birliklarning 10 dan 19 gacha bo'lgan hududda erkin tashuvchilar kontsentratsiyasida kuzatiladi. Bu sof metallarda kuzatilganidan uch marta kichikroq bo'lib, shundan to'g'ridan-to'g'ri yarimo'tkazgichlar Peltier elementlari uchun ideal material bo'ladi degan xulosaga keladi.

Ikkinchi komponentning ulushi abscissa o'qi bo'ylab kichikroq yo'nalishda allaqachon nisbatan kichik, bu oraliqdan materiallarni olish ham mumkin. Dielektriklarning elektr o'tkazuvchanligi juda past bo'lib, bu kontekstda ulardan foydalanishning mumkin emasligini tushuntiradi. Bularning barchasi Altenkirxning xulosalari jiddiy qabul qilinmasligining sababini aniqlashga imkon beradi.

Peltier elementlariga qo'llaniladigan kvant nazariyasi

Termodinamika aniq hisoblash imkonini bermaydi, lekin Peltier elementlari uchun materiallarni tanlash jarayonini sifat jihatidan tavsiflaydi. Vaziyatni tuzatish uchun fiziklar kvant nazariyasini yordamga chaqirmoqda. U erkin zaryad tashuvchilar kontsentratsiyasi, kimyoviy potentsial va Boltsman doimiyligi orqali ifodalangan bir xil qiymatlar bilan ishlaydi. Bunday nazariyalar odatda kinetik (yoki mikroskopik) deb ham ataladi, chunki ular eng kichik zarrachalarning xayoliy va noma'lum dunyosini hisobga oladi. Belgilar orasida quyidagilar mavjud:

1. l - zaryad tashuvchilarning erkin yo'li. Haroratga bog'liq. Natija elektron tarqalish mexanizmining daraja indeksi bilan aniqlanadi r (atom panjaralari uchun bu 0; ion panjaralari va Debaydan past haroratlar uchun - 0,5; Debaydan yuqori - 1; nopoklik ionlari bilan tarqalish uchun - 2).
2. f - Fermi taqsimot funksiyasi (energiya darajalari ustida).
3. x - zaryad tashuvchilarning kamaytirilgan kinetik energiyasi.

Fermi funksiyalarining integrallari jadvallarda keltirilgan, ularni hisoblash qiyin emas. Mikroskopik nazariyaning tenglamalari termo-EMF va elektr o'tkazuvchanlik koeffitsientlariga nisbatan echiladi, bu esa sovutish koeffitsientini topishga imkon beradi. Ushbu murakkab operatsiyalarni B.I. Bok, Seebek koeffitsientining optimal qiymati 150 va 400 mkV / K oralig'ida ekanligini aniqladi, lekin tarqalish mexanizmi darajasiga bog'liq. Bir qarashda, metallar uchun qiymatlar kuzatilmasligi aniq. Natijada, Ioffe boshchiligidagi fiziklar guruhi termojuftlar uchun eng yaxshi material bir qator shartlarga javob berishi kerakligini ko'rsatdi:

1. Tashuvchining harakatchanligining kristall panjaraning issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsientiga maksimal nisbati.
2. Rasmda ko'rsatilgan formula bo'yicha tashuvchi kontsentratsiyasi.

V.P. Juse qaysi moddalar kerakli harakatchanlikka ega ekanligini ko'rsatadi. Ularning kristall tuzilishi atom va metall o'rtasida joylashgan. Nopoklarning materialga kiritilishi har doim harakatchanlikni pasaytiradi. Bu qotishmalar uchun termo-emf koeffitsienti sof materiallarga qaraganda yuqori ekanligini tushuntiradi. Ammo aralashmalar r ni oshiradi. Tabiatda mavjud bo'lmagan ideal modda uchun termo-EMF koeffitsienti 172 mkV / K ga teng doimiy qiymatni saqlab turishi kerak. Shaklda ko'rsatilgan qonunga muvofiq kontsentratsiyaning o'zgarishi talab qilinadi (2-bandga qarang).

Yarimo'tkazgichlar zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi haroratga bog'liq bo'lgan materiallarni tanlash va farq deyarli nolga teng bo'lganlarni topish qobiliyati bilan ajralib turadi. Ushbu fazilatlarni birlashtirib, idealga eng yaqin materialni topishga harakat qilish mumkin.

Sovutgich dizaynlari

Effektni kuchaytirish uchun Peltier elementlari parallel ravishda birlashtiriladi. Shu bilan birga, ularning kuchlari qo'shiladi. O'zingizning muzlatgichlaringizni loyihalash uchun siz planar tuzilmalar orqali issiqlik yo'qotilishini hisoblashdan xabardor bo'lishingiz kerak. Maxsus kalkulyatorlar yaratilgan, ularning ko'pchiligi Internetda mavjud.

Tasodifiy dizayn aniq sabablarga ko'ra foydasizdir. Va yaxshi xabar shundaki, Peltier elementlari so'nggi yillarda sezilarli darajada arzonlashdi. Ali Express-da Xitoydan 300 rubl uchun 60 Vt mahsulot sotib oling. Sovutgichni 3000 ga yig'ishingiz mumkinligini ko'rish qiyin emas. Va u qanday haroratni saqlab turishi hisoblashni talab qiladigan dizaynga bog'liq.