Эффект Пельтье — это… Что такое Эффект Пельтье?

Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока:

Q = П_АBIt = (П_B-П_A)It, где

Q — количество выделенного или поглощённого тепла;

I — сила тока;

t — время протекания тока;

П — коэффициент Пельтье, который связан с коэффициентом термо-ЭДС α вторым соотношением Томсона ^[1]П = αT, где Т — абсолютная температура в K.

Эффект открыт Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы.

При пропускании электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, при смене направления тока — лёд таял, что позволило установить, что в зависимости от направления протекающего в эксперименте тока, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека.

Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов.

Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Литература

1. ↑ Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике: для инженеров и студентов ВУЗов. — Изд. 4-е, перераб. — Наука — Главная редакция Физико-математической литературы, 1968. — С. 417.

См. также

Ссылки

Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект

Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).

Что такое элемент Пельтье

Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются. Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье. Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств.

При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.

1 — Изолятор керамический
2 — Проводник n — типа
3 — Проводник p — типа
4 — Проводник медный

В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.

Принцип действия

Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости. При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются. При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.

Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:

• Свойства металла.
• Температуры среды.

Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.

На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.

Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.

При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.

Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.

Сфера использования

Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.

Вот их некоторые области использования:

• Устройства ночного видения.
• Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
• Телескопы с охлаждением.
• Кондиционеры.
• Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
• Холодильники.
• Кулеры для воды.
• Автомобильные холодильники.
• Видеокарты.

Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.

В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств. Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.

Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.

Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.

Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД. Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление. Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.

Обратный эффект элементов Пельтье

Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.

Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.

Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры. А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.

Преимущества и недостатки

Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:

• Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
• Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
• Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
• При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.

Недостатками можно назвать такие моменты:

• Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
• Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.

Как изготовить элементы Пельтье для холодильника

Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.

Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.

Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору. После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.

Другие применения термоэлектрических модулей

Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.

Основные места использования модулей:

• Охлаждение микропроцессоров.
• Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
• В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.

Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока. Это называется обратимым эффектом.

Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.

Похожие темы:

Эффект Пельтье

Задание: Покажите, что если считать электронный газ в проводнике невырожденным, то коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала.

Решение:

Количество электронов (N), которое проходит через единичную площадку, перпендикулярную к направлению тока, за $1 с$ равно:

\[N=\frac{j}{q_e}\left(1.1\right),\]

где $j$ — плотность тока, $q_e\ $— заряд электрона.

Энергия электрона равна сумме его кинетической ($E_k$) и потенциальной энергий ($E_p=-q_e\varphi $). Если через $\left\langle E_k\right\rangle $ обозначить среднюю энергию для N электронов, то поток энергии ($P$) равен:

\[P=-\frac{j}{q_e}\left(\left\langle E_k\right\rangle -q_e\varphi \right)\left(1.2\right),\]

где $\left\langle E_k\right\rangle \ne \frac{3}{2}$ kT— не равно средней кинетической энергии равновесного электронного газа, что объяснимо тем, что в случае вырожденного газа не все электроны могут ускоряться электрическим полем.

Рассмотрим проводники 1 и 2 при одинаковой температуре. К каждой единице поверхности контакта в проводнике 1 подводится в единицу времени энергия $P_1$, а отводится в проводнике 2 энергия равная $P_2$. Значения потенциалов с обеих сторон контактной плоскости равны ${\varphi }_1$ и ${\varphi }_2$. Причем ${\varphi }_1$ $\ne $ ${\varphi }_2$. Кроме того в общем случае, имеем, что:

\[\left\langle E_{k1}\right\rangle \ne \left\langle E_{k2}\right\rangle \left(1.3\right).\]

Для поддержания температуры контакта без изменений с каждой единицы поверхности в единицу времени нужно отводить (или подводить) энергию, равную $P_1-P_2.\ $Из выражения (1.3) следует, что:

\[P_1-P_2\ne 0\ \left(1.4\right).\]

Это означает, что выделяется (или поглощается) тепло Пельтье ($Q_p$). В том случае, если $S$ — площадь контактирующих поверхностей, то тепло Пельтье равно:

\[Q_p=\left(P_1-P_2\right)St=\frac{1}{q_e}\left[\left(\left\langle E_{k2}\right\rangle -\left\langle E_{k1}\right\rangle \right)-q_e\left({\varphi }_1-\ {\varphi }_2\right)\right]It\left(1. 5\right),\]

где $I=jS$ — сила тока. Мы знаем, что теплоту Пельтье выражают как:

\[Q_p=Пq\left(1.6\right).\]

Или для нашего случая из выражения (1.7) можно записать:

\[Q_p=Пq_e=ПIt\left(1.7\right).\]

Сравним выражение (1.7) и формулу (1.5), получим для коэффициента Пельтье выражение:

\[П_{12}=\frac{1}{q_e}\left[\left(\left\langle E_{k2}\right\rangle -\left\langle E_{k1}\right\rangle \right)-q_e\left({\varphi }_1-\ {\varphi }_2\right)\right]\left(1.8\right).\]

Так как нас интересует тепло в контакте, и мы не рассматриваем тепло Джоуля — Ленца в объеме, то в формуле (1.5) следует под $P_1\ и\ P_2$ понимать их значения у самой плоскости контактов. Значит выражение ${\varphi }_1-\ {\varphi }_2=U_{i12}$ — контактный скачок потенциала.

Если электронный газ в проводниках является невырожденным, то ускоряются полем все электроны. Распределение импульсов описывается законом Максвелла, и оно зависит только от температуры, тогда $\left\langle E_{k2}\right\rangle =\left\langle E_{k1}\right\rangle $, следовательно:

\[П_{12}=ц_1-\ ц_2=U_{i12}. \ \]

В таком случае, коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала, при этом тепло Пельтье равно работе, которую совершает ток из-за перепада напряжений.

Что и требовалось показать.

Эффект Пельтье — Энциклопедия по машиностроению XXL

Выше при обсуждении природы термоэлектричества рассматривался только эффект Зеебека, который представляет основу для из.мерения температуры термопарами. Остановимся кратко на других проявлениях термоэлектричества — эффектах Пельтье и Томсона.  [c.270]

Эффект Пельтье возникает при протекании тока через спай двух различных металлов и проявляется в выделении или поглощении тепла, которое пропорционально току. В принципе это явление может быть использовано для нагрева или охлаждения, что зависит от направления тока через спай.  

[c.270]

Теория твердого тела не позволяет вычислить заранее величину, а часто даже знак термо-э. д.с. и эффектов Пельтье и Томсона, однако она объясняет большинство свойств термопар. Например, зависимость термо-э.д.с. от давления вытекает из зависимости между уровнем Ферми и постоянной решетки. По той же причине изменения в структуре решетки в результате появления вакансий, а также дальнего или ближнего порядка приведут к изменениям термо-э.д.с. Точно так же введение примесей и механических напряжений окажет влияние на термопару, поскольку термо-э.д.с. очень чувствительна к изменениям в рассеянии электронов.   [c.273]

В лабораторной практике ледяная ванна обычно наиболее удобна для стабилизации температуры опорного спая, однако в промышленности это не так. Существуют различные способы стабилизации температуры опорного спая, которая не обязательно должна быть равна 0°С. Можно использовать холодильники, работающие за счет эффекта Пельтье, которые удобны, если применяется большое число термопар. Главный недостаток их заключается в том, что при температуре 0°С трудно обеспечить достаточное погружение спаев термопар в охлаж-  

[c. 305]

Весьма слабый термомеханический эффект должен, строго говоря иметь место и в обычных жидкостях аномальным у гелия II является боль шая величина этого эффекта. Термомеханический эффект в обычных жидко стях представляет собой необратимое явление типа термоэлектрического эф фекта Пельтье (фактически такой эффект наблюдается в разреженных газах см. X, задача I к 14). Такого рода эффект должен существовать и в гелии II, но в этом случае он перекрывается значительно превосходящим его описанным ниже другим эффектом, специфическим для гелия 11 и не имеющим ничего общего с необратимыми явлениями типа эффекта Пельтье,  

[c.710]

Эффект Пельтье. При прохождении электрического тока в термически однородной системе в месте соединения двух различных проводников выделяется или поглощается теплота (теплота Пельтье), пропорциональная силе тока.  [c.22]

Эффект Пельтье. Из (8.81) и (8.82) легко находим, что при прохождении в изотермических условиях через спай двух различных проводников электрического тока в спае выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) теплота, пропорциональная силе тока (эффект Пельтье).

Наряду с этим еще всегда выделяется положительное джоулево тепло. Но оно пропорционально квадрату силы тока поэтому при достаточно малом токе можно пренебречь джоулевым теплом по сравнению с теп-  [c.161]

Эффект Пельтье так же, как эффект Зеебека, можно наблюдать лишь при наличии двух разнородных проводников.  [c.560]

Эффект Пельтье — в изотермических условиях и при фиксированном значении разности электрического потенциала на концах термодинамической пары в месте спая проводников выделяется либо поглощается теплота Пельтье,  [c.201]

Необходимость существования эффекта Пельтье вытекает из следующих соображений. При равенстве температур спаев в замкнутой цепи (рис. 113) термоток отсутствует. При нагревании перехода 1 возникает термоток в направлении, показанном на рис. 113. Этот термоток в цени совершает работу, например, на выделение джоулевой теплоты. Если осуществляется стационарный режим, то подводимая к этому переходу теплота при неизменной температуре превращается в другие формы энергии в цепи тока. Это означает, что проходящий через переход ток уносит из перехода энергию, сообщаемую ему в форме теплоты, т. е. охлаждает переход. Так доказывается необходимость существования эффекта Пельтье и правило, определяющее зависимость эффекта нагревания или охлаждения перехода в зависимости от направления  [c.349]

Эффект Пельтье используется в охлаждающих устройствах и некоторых электронных приборах.  [c.349]

Полупроводник Металл Рис. 3.21. Схема контакта электронного полупроводника с металлом, поясняющая эффект Пельтье  [c.74]

Количество тепла, выделяющегося или поглощающегося при эффекте Пельтье, пропорционально плотности тока и времени его прохождения  [c.74]

Эффект, обратный явлению Зеебека, называют эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.  [c.277]

Термогенераторы основываются на трех термоэлектрических эффектах эффекте Зеебека, когда в разомкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, концы которых находятся при различной температуре, возникает э. д. с. эффекте Пельтье, когда при прохождении тока в термически однородной системе через стык двух различных проводников на стыке выделяется или поглощается теплота эффекте Томсона, когда в термически неоднородной системе помимо теплоты Джоуля выделяется теплота Томсона, пропорциональная градиенту температуры и силе тока. Математически эти эффекты соответственно записываются  [c.418]

Принципиальный интерес представляют электрические. Они работают на основе эффекта Пельтье, который рассматривался выше при пропускании электрического тока через замкнутую цепь из двух разнородных проводников один из спаев нагревается, а другой охлаждается. Значит, поместив нужный из них в комнате или шкафу, мы  [c.150]

Эффект Пельтье состоит в том, что при пропускании тока через контакт двух разнородных материалов в дополнение к джоулеву теплу в контакте выделяется или поглощается тепло, количество которого Qn пропорционально заряду It, прошедшему через контакт  [c. 263]

Легко видеть, что эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека. В первом случае пропускание тока по цепи приводит к возникновению в контактах разности температур, во втором—создание разности температур в контактах вызывает появление в цепи термо-э. д. с. и, следовательно, электрического тока. Термодинамическое рассмотрение этих явлений показывает, что между коэффициентом Пельтье и удельной термо-э. д. с. существует следующая простая связь  [c.265]

Для обеспечения стабильности температуры Гд теплоизолируемой поверхности, когда в окружающую среду с температурой Tj необходимо сбрасывать избыточную тепловую энергию при условии Т > Гц, может оказаться целесообразным использование термоэлектрических эффектов в термоизоляции [18]. Без затрат дополнительной энергии такой процесс термодинамически невозможен. Передать тепловую энергию в направлении повышения температуры удается за счет энергии электрического тока, протекающего в цепи из разнородных проводников, которые обладают достаточно сильно выраженным эффектом Пельтье. Этот эффект заключается в выделении (или поглощении) тепловой мощности в месте контакта разнородных материалов в зависимости от направления тока I и количественно характеризуется выражением [28]  [c.79]

При силе тока = l/Rj + oFo)/(2e) имеем Гг Это означает, что выделяющаяся благодаря эффекту Пельтье тепловая мощность уже не может быть отведена в окружающую среду или к пластине 1 и поэтому температура пластины 2 неограниченно возрастает. Если I = то множитель при в выражении для J (Т) обращается в нуль, т.е. функционал не имеет экстремума. Для I > If этот множитель становится отрицательным, так что стационарное значение функционала оказывается максимумом и соответствующее ему значение Т2 теряет физический смысл.  [c.81]

Твердотельные — установки, в которых для охлаждения используется твердое рабочее тело. Кроме полупроводниковых установок, основанных на использовании эффекта Пельтье, к этой группе относятся установки, в которых используется элект-  [c. 213]

Остановимся еще на одном физическом эффекте, неразрывно связанном с эффектом Зеебека. Речь идет об эффекте, открытом в 1834 г. французским физиком Ж. Пельтье. Существо эффекта Пельтье состоит в следующем. Если через цепь, составленную из двух разнородных проводников, пропускать ток от внешнего источника электроэнергии, то один из спаев цепи поглощает, а другой выделяет тепло. При изменении направления тока в спае, который поглощал тепло, будет происходить выделение тепла, а другой спай, в котором ранее тепло выделялось, будет поглощать тепло. При этом количество тепла Q, поглощаемого или выделяющегося в спае, оказывается пропорциональным силе тока I  [c.404]

Индекс п указывает на то, что это тепло связано с эффектом Пельтье.  [c.404]

Эти соотношения позволяют найти величину всех трех термоэлектрических эффектов, если известен хотя бы один и если 5 или р, известны в небольшом интервале температур вблизи Т. Применяемые на практике методы определения 5, р и П изложены в работах Бернара [3] и Блатта [12]. При выводе приведенных выше соотношений Томсон полагал, что такие обратимые процессы, как эффекты Пельтье и Томсона, можно рассматривать вне зависимости от происходящих одновременно необратимых явлений теплопроводности и выделения джоулева тепла. Наличие необратимых процессов делает сомнительным применение второго начала термодинамики в обратимой форме, однако Томсон получил правильный результат. Общая теория, рассматривавшая одновременно обратимые и необратимые процессы, была развита в 1931 г. Онсагером [47, 48]. Ее основы изложены Бернаром [3].  [c.271]

Термозлемент — теплоэлектрический прибор, основанный на использовании термоэлектрического эффекта или электротермического эффекта Пельтье и предназначенный для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую или обратно различают термоэлементы металлические, полупроводниковые и комбинированные [9].  [c.155]

Эффект Пельтье состоит в том, что при прохождении тока через спай различных проводников кроме джоу-лева тепла выделяется или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество тепла Qrii пропорциональное протекающему через контакт заряду (т. е. силе тока / и времени t),  [c.560]

Паровые холодильные машины, в свою очередь, подразделяют на парокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбционные. Кроме того, применяются термоэлектрические холодильные установки, работа которых основана на эффекте Пельтье (1834 г.), заключающемся в том, что при прохождении электрического тока по замкнутой цепи проводников-термоэлементов один из спаев проводников охлаждается, а другой нагревается. К этой же группе холодильных установок относятся устройства, основанные на термомагнитном эффекте Эттингсхаузена. В холодильных установках этого типа хладагент отсутствует.  [c.176]

Определим количество теплоты источника теплоты температуры в единицу времени. Основная составная часть — теплота q, преобразуемая в электрическую энергию. Она определяется на основании эффекта Пельтье, согласно которому обратимое выделение теплоты на спае двух проводников при прохождении тока пропорционально силе тока поэтому q = л/, где л — коэффициент Пельтье, являющийся функцией температуры я = Я1 1ц — Пц 1п i — сила тока в цепи термогенератора.  [c.577]

Эффект, обратный явлению Зее-бека, называют эффектом Пельтье (электротермическим эффектом Пельтье). Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт дв лс разнородньк полупроводников  [c.74]

Криостаты, которые служат обычно оболочками приборов, часто соединяют с криогенными установками. Используют также эффекты Пельтье, Эгтингсга-узена и др., которые будут рассмотрены в дальнейшем. По мере того как будут совершенствоваться техника получения и поддержания низких температур и сами электронные приборы, криоэлектроника все шире будет входить в жизнь.  [c.208]

Наиболее эффективными материалами для создания как термоэлектрических холодильников, так и термогенераторов являются материалы с максимальной величиной а о/%. Для термоэлектрического охлаждения необходим материал с высокими значениями коэффициента Пельтье и удельной электропроводности. Последнее требование обусловлено тем, что в добавление к теплу Пельтье всегда выделяется и джоулево тепло и, чтобы эффект джоулева нагрева не перекрыл эффект охлаждения, необходимы материалы с хорошей электропроюдностью. С другой стороны, при одном- и том же количестве тепла, выделяющемся вследствие эффекта Пельтье на одном контакте и поглощающемся на другом, разность температур между контактами будет тем больше, чем меньше теплопередача от горячего конца проводника к холодному, т. е. чем меньше коэффициент теплопроводности.  [c.265]

Эффект Эттингсгаузена может быть использован в тех же устройствах, что и эффект Пельтье, — в устройствах кондиционирования воздуха, охлаждения, термостатирования и т. п., где требуется перекачка тепла. При этом материал, используемый для этих целей, так же как и в элементах Пельтье, должен обладать по возможности меньшей теплопроводностью, чтобы перетекание тепла от горячей грани образца к холодной было затруднено. Однако требования к комбинации других параметров полупроводника несколько иные, чем при использовании эффекта Пельтье. Поэтому в некоторых случаях применение эффекта Эттингсгаузена является предпочтительным по сравнению с эффектом Пельтье.  [c.271]

Термореактивные материалы В 29 (способы и устройства для экструдирования С 47/(00-96) термореактивные смолы как формовочный материал К 101 10> Термостаты, использование для регулирования охлаждения двигателей F 01 Р 7/12 7/16 Термоформование изделий из пластических материалов В 29 С 51/(00-46) Термочувствительные [краски или лаки С 09 D 5/26 элементы (биметаллические G 12 В 1/02 тепловых реле Н 01 Н 61/(02-04))] Термоэлектрические [пирометры G 01 J 5/12 приборы (использование в термометрах G 01 К 7/00 работающие на основе эффекта Пельтье или Зеебека Н 01 L 35/(28-32))] Тигельные печи тепловой обработки 21/04 печей 14/(10-12)) лабораторные В 01 L 3/04 плавильные для литейного производства В 22 D 17/28] Тиски В 25 В (1/00-1/24 ручные 3/00) Тиснение бумаги В 31 F 1/07 картонажных изделий В 31 В 1/88 металлическое В 41 М 1/22 поверхности пластических материалов В 29 С 59/00 способы В 44 С 1/24) Титан [С 22 С (сплавы на его основе 14/00 стали, легированные титаном 38/(14-60)) С 25 (травление или полирование электролитическими способами F 3/08, 3/26 электроды на основе титана для электрофореза В 11/10)] Токарная обработка [древесины В 27 О Токарные станки [В 23 конструктивные элементы и вспО могательные устройства В 17/00-33/60 линии токарных станков В 3/36 для нарезания резьбы G 1/00 общего назначения В 3/00-3/34 отрезные В 5/14 резцы для них (В 27/(00-24) изготовление Р 15/30) для скашивания кромок, снятие фаски или грата с концов прутков и труб В 5/16 фрезерные съемные устройства к ним С 7/02)]  [c. 189]

Термобатарея состоит из последовательно соединенных посредством медных коммутационных пластин 1 а 2 полупроводников дырочной р и электронной п проводимости . При прохождении по термобатарее постоянного электрического тока, подводимого к коммутационным пластинам /, на коммутационных пластинах 1 п 2 возникает разность температур (эффект Пельтье). Пластины 2 охлаждаются, а пластины 1 нагреваются. Чем больше ступеней в термобатарее, тем большая может быть достигнута общая разность температур ДГ. Количество теплоты, подведенной к холодным спаям 2, характеризует холодопроизводи-тельность Qo термобатареи.  [c.237]

---

Термодинамика (1991) — [ c.272 , c.275 ]

Техническая термодинамика Изд.3 (1979) — [ c.404 , c.447 ]

Теплоэнергетика и теплотехника Общие вопросы Книга1 (2000) — [ c. 236 ]

Механика сплошной среды Часть2 Общие законы кинематики и динамики (2002) — [ c.290 ]

Металловедение и термическая обработка стали Том 1, 2 Издание 2 (1961) — [ c.213 ]

Основы теории металлов (1987) — [ c.93 ]

Термодинамика необратимых процессов В задачах и решениях (1998) — [ c.68 ]

Физика твердого тела Т.2 (0) — [ c.259 ]

Современная термодинамика (2002) — [ c.338 , c.345 ]

Физика твердого тела Т.1 (0) — [ c.259 ]

---

Эффект Пельтье — Физика — Физические законы — Каталог файлов

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье (1785-1845 г. ) в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками. В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое — остывает.

Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснён в 1838г Ленцем (1804-1865 г.).

В своём опыте Ленц эксперементировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока — таяла. Тем самым было установленно, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом — поголщается. Данное явление было названо эффектом Пельтье (противоположным эффекту Зеебека).

Эффект Пельтье́ — процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:

dQ₁₂ = P₁₂Idt = − dQ₂₁

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт идёт ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler). Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Принцип действия

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi₂Te₃ и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Протекающий электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.

Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Кроме того элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Применение

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 — 40 К ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 для одностадийних холодильников и до −120 для двухстадийных).

Сущность эффекта

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контакной разностью потенциалов между металлами. В случае ускорения кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случае кинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергии тепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом он начинает охлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.

Уже в 20 веке было выясенно, что эффект Пельтье значительно сильнее проявляется при соединении полупроводников разных типов. В зависимости от направления протекания электрического тока через p-n- и n-p- переходы вследствии взаимодействия заряов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации, энергия либо поглощается, либо выделяется. В связи с этим полголощается или вылеляется тепло. Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности.

Техническая реализация Пельтье эффекта в полупроводниках

Основным технологическим узлом всех термоэлектрических охлаждающих устройств является термоэлектрическая батарея, набранная из последовательно соединенных термоэлементов. Так как металлические проводники обладают слабыми термоэлектрическими свойствами, термоэлементы делаются из полупроводников, причем одна из ветвей термоэлемента должна состоять из чисто дырочного (р-тип), а другая из чисто электронного (n-тип) полупроводника.

Если выбрать такое направление тока, при котором на контактах, расположенных внутри холодильника тепло Пельтье будет поглощаться, а на наружных контактах выделяться в окружающее пространство, то температура внутри холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника нагреваться (что происходит при любой конструкции холодильника).

Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20С до 200С; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.

Элемент Пельтье: характеристики, описание, применение

Справочник

Впервые я столкнулся с элементами Пельтье (ЭП) несколько лет назад, когда разрабатывал устройство охлаждения воды в аквариуме. Сегодня ЭП стали еще более доступными, а сфера их применения существенно расширилась. К примеру, в охладителях воды, которые часто можно встретить в офисах, используются ЭП. Там они в форме квадрата 4×4 см (рис.2)с помощью специальной термопасты и стяжных винтов закреплены между радиатором охлаждения и корпусом водяного резервуара, “холодной” поверхностью к резервуару. Распространены и другие ЭП.

 

Рис. 2 Элемент Пельтье

В основе работы элемента Пельтье лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье. В 1834 г. Пельтье обнаружил, что при протекании постоянного тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется тепло (в зависимости от направления тока). Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и пропорциональна проходящему току. Элемент Пельтье обратим. Если приложить к нему разность температур, в цепи потечет ток.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате, происходит охлаждение.

Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников (р- и n-типа проводимости). В зависимости от направления электрического тока через р-n-переходы вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (р), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется.

Рис. 3 Эффект Пельтье

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника (ветки) p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном соединении нескольких таких термопар теплота (Q_c), поглощаемая на контакте типа n-р, выделяется на контакте типа p-n (Q_h). В результате, происходит нагрев (Т_h) или охлаждение (Т_с) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к р-п-переходу (рис.3), и возникает разность температур (AT=T_h-T_c) между его сторонами: одна пластина охлаждается, а другая нагревается. Традиционно сторона, к которой крепятся провода, горячая, и она изображается снизу.

Рис. 4

Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар (рис.4), обычно соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла. Термопары помещаются между двух керамических пластин (рис.5). Ветки напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике, например, из оксида

Рис. 5 Термоэлектрический модуль Пельтье

алюминия. Количество термопар может варьироваться в широких пределах (от нескольких единиц до нескольких сотен), что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки (селен и сурьму).

 

 

Рис. 6

Типичный модуль (рис.6) обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающейся поверхности вторая поверхность-холодильник позволяет достичь отрицательных значений температуры. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье (рис.7) при обеспечении их достаточного охлаждения. Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют “активными холодильниками Пельтье” или просто “кулерами Пельтье”.

Рис. 7, каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье

Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их более эффективными по сравнению со стандартными кулерами на основе радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей и их принципа работы.

Большое значение имеет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размеров. Модуль малой мощности не обеспечит необходимого охлаждения, что может привести к нарушению работы защищаемого элемента вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до

Рис. 8, активный кулер, на основе полупроводникового модуля Пельтье

уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных устройств. Модули Пельтье в процессе работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По этой причине следует применять в составе кулера мощный вентилятор. На рис.8 показан активный кулер, в котором использован полупроводниковый модуль Пельтье.

Подаваемое на модуль напряжение определяется количеством пар ветвей в модуле. Наиболее распространенными являются 127-парные модули, максимальное напряжение для которых составляет примерно 16 В. Но на эти модули обычно подается напряжение питания 12 В, т.е. примерно 75% U_max. Такой выбор напряжения питания в большинстве случаев является оптимальным: позволяет обеспечить достаточную мощность охлаждения при приемлемой экономичности. При повышении напряжения питания более 12 В увеличение холодильной мощности незначительно, а потребляемая мощность резко увеличивается. При понижении напряжения питания экономичность растет, поскольку холодильная мощность также уменьшается, но линейно.

Табл.1 элемент Пельтье, характеристики

Тип модуля			Характеристики
	Imax,A	Umax,B	Qmax,Bт	ΔTmax, 0C	Размеры, мм
А-ТМ8,5-27-1 ,4	8,5	| 15,4	72,0	72	40x40x3,7
А-ТМ8,5-127-1,4HR1	8,5	15,4	72,0	71	40x40x3,4
А-ТМ8,5-127-1,4HR2	8,5	15,4	72,0	70	140x40x3,7
А-ТМб. 0-127-1,4	6,0	15,4	53,0	72	40x40x4,2
А-ТМ6,0-127-1.4HR1	6,0	15,4	53,0	71	40x40x3,8
А-ТМ6,0-127-1,4HR2	6,0	15,4	53,0	70	40x40x4,2
А-ТМЗ,9-127-1,4	3,9	15,4	35,0	73	40x40x5,1
А-ТМЗ,9-127-1,4HR1	3,9	15,4	35,0	71	40x40x4,8
А-ТМЗ,9-127-1,4HR2	3,9	15,4	35,0	70	40x40x5,1
A-TM3,9-127-1,4	3,9	15,4	34,0	71	30x30x3,9
А-ТМЗ,9-127-1,4HR1	3,9	15,4	34,0	70	30x30x3,9
А-ТМЗ,9-127-1,4HR2	3,9	15,4	34,0	70	30x30x3,9
А-ТМ37,5-49-3,0	37,5	5,9	130,0	71	40x40x4,3
A-TM37,5-49-3,0HR1 i	8,5	15,4	72,0	70	40x40x4,3
A-TM6,0-31-1,4	6,0	3,75	12,5	72	20x20x4,2
A-TM6,0-31-1,4HR1	6,0	3,75	12,5	72	20x20x4,2

Примечание: модули с маркировной HR1 и HR2 отличаются повышенной надежностью.

Для модулей с другим числом пар ветвей (отличным от 127) напряжение можно выбирать по тому же принципу: 75% от U_max, но при этом необходимо учитывать особенности конкретного устройства, прежде всего, условия теплоотвода с горячей стороны и возможности источников питания. Например, на модули серии “ДРИФТ” (199 термоэлектрических пар) рекомендуется подавать напряжение от 12 до 18 В.

При эксплуатации важен надежный термический контакт между теплообменником и радиатором, поэтому ТЭМ крепится с использованием термопроводящей пасты (например, КПТ-8). Если нет специальной термопасты, можно с успехом применить фармакологические средства, купленные в аптеке, например, пасту Лассари или салицилово-цинковую пасту.

Поскольку максимальная температура на горячей стороне ТЭМ достигает +80°С (в высокотемпературных охладителях фирмы Supercool — +150°С), важно, чтобы ЭП охлаждался правильно. Горячая поверхность ТЭМ должна быть обращена к радиатору, с другой стороны которого установлен вентилятор охлаждения (поток воздуха направляется от радиатора). Вентилятор и ТЭМ в соответствии с полярностью подключаются к источнику питания, который может быть простейшим: понижающий трансформатор, выпрямитель на диодах и сглаживающий оксидный конденсатор. Но пульсации питающего напряжения не должны превышать 5%, в противном случае эффективность ТЭМ уменьшается. Лучше, если вентилятор и ТЭМ управляются электронным устройством на основе компаратора и датчика температуры. Как только температура охлаждаемого объекта повышается свыше установленного порога, автоматически включаются охладитель и вентилятор, и начинается охлаждение. Степень охлаждения (или нагрева) пропорциональна проходящегому через ТЭМ току, что позволяет с высокой точностью регулировать температуру “обслуживаемого” объекта.

Термоэлектрические модули загерметизированы, так что их можно применять даже в воде. Керамическая поверхность ТЭМ зашлифована, к ламелям (выводам) припаяны черный (“-”) и красный (“+”) провода. Если ТЭМ (рис.2) расположить выводами к себе так, чтобы черный провод был слева, а красный справа, сверху будет холодная сторона, а снизу — горячая. Маркировка обычно наносится на горячую сторону.

Табл.2

Температура воздействия, 0С	Место воздействия (сторона 1 или 2)*	Время воздействия, сек	Сотротивление (по прошествии времени воздействия), кОм
19	1,2	Постоянное	87
36	1	2	64
36	2	2	136
Нагрев зажигалкой	1	2	10
Нагрев зажигалкой**	2	2,4	>2000
-5 (в холодильнике)	1,2	300	135
-20 (на улице зимой)	1,2	300	98
36 после охлаждения в холодильнике (-5)	1	2	45
36 после охлаждения на улице (-20)	1	2	404
100 (кипящая вода)	1,2	60	2
Топка русской печи (открытое пламя)	1,2	60	0,06

Примечания:

* — сторона 1 — сторона с нанесенной маркировкой, сторона 2 — обратная сторона (относительно маркировки).

** При нагреве тыльной стороны в течение 4 с зажигалкой с открытым пламенем, касавшимся поверхности ЗП, на выводах был зафиксирован ток 200 мкА.

 

 

Наиболее «ходовые» типы модулей Пельтье — это однокаскадные модули максимальной мощностью до 65 Вт (12 В) и 172 Вт (24 В). Обозначения модулей расшифровываются следующим образом: первое число — это количество термопар в модуле, второе — ширина сторон ветки (в мм), третье — высота ветки (в мм). Например, ТВ-127-1,4-1,5 — модуль, состоящий из 127 пар термоэлектрических веток, размеры которых 1,4×1,4×1,5 мм. Размеры модулей — 40×40 мм, толщина — около 4 мм. Стандартные однокаскадные модули выпускаются с максимальной мощностью до 70 Вт (12 В) и 172 Вт (24 В). Типовые параметры ТЭМ приведены в табл.1.

Табл.3 Параметры термоэлектрического генератора

Параметр	Значение
Длина, мм	252
Ширина, мм	252
Высота, мм	170
Масса, кг, не более	8,5
Выходное напряжение, В	12
Максимальная выходная мощность, Вт	25
Температура установочной повехности, °С, не более	300

Рис. 9 термоэлектрический генератор

В экспериментах с ТЭМ я проверил изменение его сопротивления в разных режимах. К выводам (ламелям) модуля подключался тестер М830 в режиме измерения сопротивления. Результаты сведены в табл.2. При температурном воздействии, большем чем комнатная температура, на сторону ТЭМ с маркировкой, его сопротивление уменьшалось, на оборотную сторону — пропорционально увеличивалось (в строках 2 и 3 таблицы показана реакция на прикосновение ребром ладони к поверхности ТЭМ, температура указана приблизительно 36°С).

Учитывая обратимость элементов Пельтье, на их основе можно разрабатывать источники электропитания. Например, термоэлектрический генератор “В25-12(М)” компании “Криотерм” (рис.9) позволяет заряжать аккумуляторы мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов, смотреть телевизор, продолжительное время работать на ноутбуке и пр. Единственное требование — нужна нагретая поверхность размерами 20×25 см. Параметры генератора приведены в табл.3.

А.Кашкаров.

 

Элемент Пельтье(генератор Зеебека) принцип действия, обознач…

Привет, Вы узнаете про элемент пельтье, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое элемент пельтье,генератор зеебека , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

элемент пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Конструкция

Структурный пример элемента Пельтье. Металлические электроды и полупроводники p-типа и n-типа попеременно соединены в π-форме между верхней и нижней пластинами теплового излучения.

Схематический рисунок элемента Пельтье

Принцип действия

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.

Вид сбоку на элемент Пельтье. Электрический ток протекает через полупроводники в форме куба между верхней и нижней частью.

Вскрытый элемент

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi2Te3 и твердого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей пленкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу — противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создает разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится еще ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это дает возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведет к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

• Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
  • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
  • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
  • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
• Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
• Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
• Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
• К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
• Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
• Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
• Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
• Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
• Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Многокаскадные термоэлектрические модули

Многокаскадные модули применяются в системах глубокого охлаждения, холодильниках с большим перепадом температур, системах охлаждения научных, исследовательских и специальных приборов. Также используются для охлаждения ИК фотоприемников, детекторов рентгеновского излучения и других датчиков.

Основные области применения:

• охлаждение ПЗС матриц и ИК фотоприемников
• камеры холода и замораживатели
• термостаты
• научные лабораторные приборы
• термокалибраторы
• ступенчатые охладители
• охладители и термостабилизаторы датчиков различного назначения
• приборы ночного видения

Технологические особенности

Для верхних каскадов многокаскадных модулей мы используем оптимизированный термоэлектрический материал, который позволяет получать большую величину ?Т при меньшем количестве каскадов. Это позволяет производить многокаскадные модули с оптимальными весо-габаритными характеристиками и низким энергопотреблением.

Мы также предлагаем нашим заказчикам термоэлектрические модули установленные или непосредственно интегрированные в стандартные — ТО (ТО3, ТО8 и др.), HHL, DIL, butterfly или специальные корпуса.

Таблица используемых сокращений

ТЭМ	термоэлектрический модуль
ТГМ	термоэлектрический генераторный модуль
DTmax	максимально достижимая разница температур между сторонами термоэлектрического модуля
Imax	максимальный электрический ток через термоэлектрический модуль, соответствующий режиму максимальной разницы температур
Umax	максимальное электрическое напряжение на контактах термоэлектрического модуля, соответствующее режиму максимальной разницы температур
Qmax	максимальная холодопроизводительность (холодильная мощность) термоэлектрического модуля. Определяется при максимальном токе через термоэлектрический модуль и нулевой разности температур между его сторонами
Rac	электрическое сопротивление термоэлектрического модуля, измеренное на переменном токе с частотой 1 кГц

Примеры схем с элементами Пельтье и обозначение

Рис.1. Схемы подключения нагревательных элементов к микроконтроллеру:

а) охлаждение объектов модулем Пельтье EK1 фирмы «Криотерм» (размеры 40x40x3.4 мм). Светодиод HL1 индицирует состояние «Заморозить/Разморозить». Транзистор K77 подключается к MK напрямую, без резисторов, поскольку элемент EK1 весьма инерционный и помехи , которые теоретически могут открыть транзистор VT1 при рестарте MK, на него мало влияют;

б) подключение к MK низковольтного элемента Пельтье фирмы Melcor. Параметры EK1: мощность 5.3 Вт, рабочий ток 2.5 А при напряжении 3.75 В, максимальная разность температур между «холодной» и «горячей» поверхностями 67°С, габаритные размеры 15x15x4 мм.

Применение

Элементы Пельтье можно использовать везде, где требуется охлаждение с небольшой разницей температур или без экономических требований. Термоэлектрические элементы используются, например, в холодных ящиках , в которых использование холодильной машины запрещены по соображениям пространства или не было бы выгодно , так как требуемая мощность охлаждения невелика. Разница температур внутри и снаружи просто возникает неконтролируемым образом. КПД низкий. Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, малогабаритных автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, так как применение компрессорной холодильной установки в этом случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счет этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных).

Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота. До азотного охлаждения использовали именно такой способ.

«Электрогенератор Пельтье» (более корректно было бы « генератор зеебека », но неточное название устоялось) — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль, аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:

1. непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,
2. источник тепловой энергии для нагрева преобразователя (например, газовая или бензиновая горелка, твердотопливная печь и т. д.)

Элементы Пельтье используются для охлаждения особо длинноволновых или чувствительных ПЗС-датчиков . Это значительно снижает шум изображения при длительной выдержке (например, в астрофотографии ) . Многоступенчатые элементы Пельтье используются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных датчиках.

Элементы Пельтье также все чаще используются в лабораторных измерительных приборах, для которых температура является важным параметром, таких как устройства измерения плотности , вискозиметры , реометры или рефрактометры .

В гигрометрах с охлаждаемыми зеркалами один или несколько элементов Пельтье, соединенных последовательно, обычно охлаждают зеркало до -100 ° C. Здесь используется то обстоятельство, что охлаждающая способность элементов Пельтье может быстро регулироваться электрически.

Диодные лазеры часто охлаждаются и термостатируются с помощью элементов Пельтье , чтобы сохранить постоянную длину волны излучения и / или эффективность. Последующие оптические элементы диодных и других лазеров часто термостатируются элементами Пельтье.

Элементы Пельтье можно использовать как для охлаждения, так и — при изменении направления тока — для нагрева.

Элементы Пельтье иногда используются в составе кулеров ЦП . Элемент Пельтье позволяет процессору остыть до температур ниже температуры внутри корпуса, что либо позволяет разгонять процессор без ущерба для стабильности, либо увеличивает срок службы процессора. Элемент устанавливается на дне радиатора с вентилятором и питается от блока питания необходимой мощностью. Однако до настоящего времени такие решения не принесли успеха из-за их дополнительного потребления энергии, используемая электрическая энергия выделяется внутрь корпуса в виде отработанного тепла.

Фотодиоды , например B. для считывающих сцинтилляторов , из-за их небольшой площади могут охлаждаться элементами Пельтье и, таким образом, уменьшать шум и темновой ток.

Элементы Пельтье используются в камерах диффузионного тумана для поддержания разницы температур между дном и крышкой.

В термоциклерах , которые сегодня являются частью основного оборудования в молекулярной биологии , используются элементы Пельтье для быстрого нагрева и охлаждения образцов, что необходимо, например, в полимеразной цепной реакции .

Элементы Пельтье иногда используются в небольших осушителях воздуха . Здесь влажный воздух проходит через охлаждающий элемент, а содержащаяся в нем вода конденсируется по мере охлаждения и затем собирается в сборный контейнер.

На этом все! Теперь вы знаете все про элемент пельтье, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое элемент пельтье,генератор зеебека и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Эффект Пельтье — обзор

1.

Объясните возникновение эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона в неоднородных проводниках, используя инструменты феноменологической линейной термодинамики. Каков физический смысл параметров, определяющих величину этих эффектов?

2.

Объясните движение ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического потенциала, используя инструменты линейной термодинамики.

3.

Выведите уравнение для феноменологического описания активного транспорта вещества через мембрану (раздел 2.3.2) для случая сопряженного переноса вещества через мембрану и химических процессов, далеких от равновесия (т. Е. При | A _rij |> RT).

4.

Какие свойства присущи обратным коэффициентам Онзагера? Что можно сказать о значениях обратных коэффициентов Онзагера, учитывающих взаимосвязь диффузии и ступенчатых химических превращений?

5.

Что можно сказать о значениях обратных коэффициентов Онзагера, учитывающих взаимосвязь теплопроводности и ступенчатых химических превращений? В чем разница между коэффициентами «классического» и «модифицированного» коэффициентов Онзагера?

6.

Напишите феноменологические уравнения Хориути-Борескова-Онзагера для трех параллельных взаимодействующих ступенчатых реакций

A ⇄ B

A ⇄ C

006 A

, которые продолжаются через мономолекулярные превращения промежуточных продуктов.Объясните значение всех значений в выражении и запишите отношения между ними. Какими будут уравнения, если концентрация компонента D стационарна?

7.

Найдите коэффициенты взаимности Λ _ij для случая стационарной скорости параллельных ступенчатых реакций, описываемых схемами:

Стационарное состояние устанавливается относительно промежуточных продуктов, обозначенных как Y _i .

Найдите выражение для уравнений Хориути-Борескова-Онзагера, описывающее взаимное влияние данных ступенчатых реакций в присутствии диффузии химических компонентов.Коэффициент диффузии одинаков для всех компонентов.

8.

Ступенчатая реакция R + A ₁ ⇄ P ₁ сопровождается параллельной ступенчатой ​​реакцией R + A ₂ ⇄ P ₂ . Найти коэффициенты взаимности Λ _ij для случая взаимного влияния этих ступенчатых реакций, протекающих в стационарном режиме, по отношению к их промежуточным продуктам. Реакции следуют механизму

R X,

A ₁ + X ⇄ P ₁ ,

R ⇄ Y ₁ ⇄ Y ₂ ⇄ Y ₃ ⇄ Y ₄ ⇄ Y ₅ ,

Y ₄ + A ₂ ⇄ P ₂ ,

, где X и Y _i — промежуточные.Каковы ожидаемые условия потребления побочного продукта P ₂ вместо его образования?

9.

Найти коэффициенты Λ _ij для стационарного режима прямоточных ступенчатых реакций, достигаемых механизмом с интермедиатами X _i и Y _j :

R ₁ ⇄ X ₁ ⇄ → X ₂ ⇄ X ₃ ⇄ → X ₄ ,

X ₂ + R ₂ ⇄ Y ₁ ⇄ Y ₂ ⇄ Y ₃ ⇄ Y ₄ ⇄ Y ₅ ,

Y ₂ ⇄ P ₁ ,

Y ₂ ⇄ P ₂ .

10.

Биотехнологический синтез фермента AHD ₈₀ осуществляется хорошо клонированным штаммом микроорганизмов в ходе процессов, сопряженных с реакцией ассимиляции глюкозы, химическое сродство реакции 42 кДж. / моль. Оцените требуемую скорость ассимиляции глюкозы в закрытом ферментере при 37 ° C, если скорость снижения энтропии из-за реакции синтеза фермента составляет 8 кДж / ч · К в ферментере.

11.

В гомогенной реакционной системе параллельные ступенчатые реакции

A ₁ + A ₂ ⇄ B ₁

A ₁ + A ₂ ⇄ B ₂

перейти в стационарный режим через механизм

A ₁ ⇄ Y ₁ ⇄ Y ₂ ⇄ Y ₃ ⇄ Y ₄ ,

Y ₃ + A ₂ ⇄ Y ₅ ⇄ B ₁ ,

Y ₄ + A ₂ ⇄ B ₂ ,

где Y _и являются промежуточными продуктами.

Найдите выражение для модифицированных уравнений Онзагера, описывающее взаимное влияние данных ступенчатых реакций при наличии диффузии химических компонентов, порождаемой неоднородностью системы. Коэффициент диффузии одинаков для всех компонентов.

12.

Почему теорема Пригожина о скорости производства энтропии важна для области химии и каковы условия ее применимости?

13.

Превращение исходных компонентов R _i в продукт P следует по схеме

Выразите взаимосвязь между химическими потенциалами и концентрациями промежуточных продуктов реакции A _i в стационарном режиме процесса. Напишите выражение для скорости производства энтропии. Сформулируйте теорему Пригожина о скорости производства энтропии в стационарном состоянии для данной системы. Насколько применима эта теорема для данной системы при температуре 1200 К, если сродство ступенчатой ​​реакции R ₁ + R ₂ ← P равно 2 кДж / моль? 50 кДж / моль?

14.

Преобразование исходного компонента R в продукт P происходит по схеме R + A ₁ ⇄ 2 A ₁

Здесь A _i являются промежуточными продуктами. Покажите взаимосвязь между химическими потенциалами и концентрациями промежуточных продуктов реакции в стационарном режиме процесса. Напишите выражение для скорости производства энтропии. Сформулируйте теорему Пригожина о скорости производства энтропии в стационарном состоянии для данной системы.Насколько эта теорема применима для данной системы при температуре 500 К, если сродство ступенчатой ​​реакции R → P равно 2 кДж / моль? 50 кДж / моль?

15.

Преобразование исходного компонента R в продукт P происходит по схеме

R ⇄ A ₁ ⇄ A ₂ ⇄ A ₃ ⇄ P,

A ₁ + 2 S ⇄ 2A ₄ ⇄ A ₂ + 2 S A ₅ .

Здесь A _и — промежуточные соединения, а S — молекула растворителя.Покажите взаимосвязь между химическими потенциалами и концентрациями промежуточных продуктов реакции S _и в стационарном режиме процесса. Напишите выражение для скорости производства энтропии. Сформулируйте теорему Пригожина о скорости производства энтропии в стационарном состоянии для данной системы. Насколько применима эта теорема для данной системы при температуре 300 К, если сродство ступенчатой ​​реакции R ← P равно 2 кДж / моль? 30 кДж / моль?

электричество | Определение, факты и типы

Электростатика — это изучение электромагнитных явлений, возникающих при отсутствии движущихся зарядов, т.е.е., после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают своего положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов. И наоборот, имея набор проводников с известными потенциалами, можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников.Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, хранится в нем как электростатическая энергия электрического поля.

Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, тренных друг о друга в сухой среде.

Объяснение статического электричества и его проявлений в повседневной жизни.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Статическое электричество — это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы передаются от одного тела к другому. Например, если два предмета трутся друг о друга, особенно если они являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают одинаковые и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения. Объект, теряющий электроны, становится заряженным положительно, а другой — отрицательно.Сила — это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона. Электрическая сила, действующая на заряд Q ₁ в этих условиях, вызванная зарядом Q ₂ на расстоянии r , определяется законом Кулона,

Жирным шрифтом в уравнении обозначается вектор характер силы, а единичный вектор r̂ — это вектор, размер которого равен единице, и который указывает от заряда Q ₂ до заряда Q ₁ .Константа пропорциональности k равна 10 ⁻⁷ c ² , где c — скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 ⁹ ньютонов на квадратный метр на квадратный кулон (Нм ² / C ² ). На рисунке 1 показано усилие, действующее на Q ₁ из-за Q ₂ . Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q ₁ , и Q ₂ выбраны произвольно в качестве положительных зарядов, каждый с величиной 10 ⁻⁶ кулонов.Заряд Q ₁ расположен в координатах x , y , z со значениями 0,03, 0, 0 соответственно, а Q ₂ имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты даны в метрах. Таким образом, расстояние между Q ₁ и Q ₂ составляет 0,05 метра.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Величина силы F на заряде Q ₁ , рассчитанная по уравнению (1), равна 3.6 ньютонов; его направление показано на рисунке 1. Сила, действующая на Q ₂ из-за Q ₁ , составляет — F , что также имеет величину 3,6 ньютона; его направление, однако, противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее компоненты по осям x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y . Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, а результаты показаны на рисунке 2.Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в состоянии покоя. Если заряды имеют противоположные знаки, сила будет притягивающей; притяжение было бы указано в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q ₁ будет иметь направление, противоположное единичному вектору r̂ , и будет указывать от Q ₁ к Q ₂ .В декартовых координатах это привело бы к изменению знаков компонентов силы x и y в уравнении (2).

компоненты кулоновской силы

Рисунок 2: Компоненты x и y силы F на рисунке 4 (см. Текст).

Предоставлено Департаментом физики и астрономии Университета штата Мичиган

Как можно понять эту электрическую силу, действующую на Q ₁ ? По сути, сила возникает из-за наличия электрического поля в позиции Q ₁ .Поле создается вторым зарядом Q ₂ и имеет величину, пропорциональную размеру Q ₂ . При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.

Эффект Пельтье и термоэлектрическое охлаждение

Эффект Пельтье это явление, которое потенциально разница применяется через термопара вызывает температуру разница между стыками разных материалы в термопаре.

Этот эффект противоположен Эффект Зеебека (назван в честь ученого, открывшего его в 1821 году). В Эффект Зеебека заключается в том, что если разные металлы соединены в двух отдельные места, а перекрестки хранятся в разных температуры, то разность потенциалов между «спаями» ( перекрестки).

Позже, в 1834 году, Жан Пельтье обнаружил, что противоположность Зеебека эффект также верен: что разность потенциалов (и, следовательно, ток) может вызвать перепад температур, независимо от окружающей среды. температура есть.

Так как горячий спай можно разместить вне утепленная область, а холодный спай может быть размещен внутри области, Пельтье эффект можно использовать для охлаждения области (или объекта).

Элементы Пельтье (термоэлектрические охладителей)

Метод термоэлектрического охлаждение (с использованием эффекта Пельтье) полезен, потому что он может охладить объект без каких-либо движущихся частей или другого сложного оборудования, которое изолирует прохладнее из окружающей среды.Устройства, которые построенные, чтобы воспользоваться этим явлением, известны как Пельтье. элементы, или термоэлектрические кулеры (ТИК). Основные идеи из простых Элементы Пельтье можно соединять последовательно, чтобы получить гораздо больше сложный Пельтье модули (также известные как практические ТИК), которые обладают большей охлаждающей способностью. Тем не менее величайший разница температур между радиатором и прохладной областью для Устройство Пельтье имеет температуру порядка 50 ° C.
Общие области применения элементов Пелье включают: охлаждение компонентов компьютера, особенно процессора.

Наиболее распространенное сочетание материалов в термопарах Элементами Пельтье (ТЕС) являются два полупроводника висмут и Теллурид. Как правило, TEC состоит из кубиков или гранул. сделал полупроводников, каждый из которых контактирует с радиаторами на горячей и холодной стороне элемента Пельтье. Эти кубики находятся «легированный» — то есть добавляются дополнительные примеси, так что там лишние или меньшее количество свободных электронов в каждом кубе. В полупроводник кубы с лишними свободными электронами (и поэтому несут в основном отрицательный заряд) известны как полупроводники N-типа, а те, у которых мало свободных электронов (и несут в основном положительный заряд) являются полупроводниками P-типа.В пары полупроводниковых кубов P и N устанавливаются и соединяются в массив так, чтобы пары имели электрическое последовательное соединение, но тепловое параллельное соединение. Когда ток подается на это система (TEC), как ток течет через полупроводники вызывает разность температур и приводит к тому, что сторона радиатора Элемент Пельтье для нагрева, а холодная сторона — для охлаждения (или охлаждения). все, что находится в тепловом контакте с этой стороной).

Ан вид изнутри ТЕС (элемент Пельтье). p6.gif>

Элемент Пельтье, с керамические пластины для частичной изоляции внутрь из внешней среды.

Сторона радиатора TEC становится очень горячо, поэтому необходимо иметь вентилятор и / или какой-то радиатор, чтобы рассеять это нагревать.В противном случае весь ТЭО начнет нагреваться, и шт слились бы вместе.
«Нормальные» элементы Пельтье примерно несколько сантиметров толщиной и сторона в несколько миллиметров или сантиметров. Чтобы получить больше охлаждение способностей, отдельные элементы соединяются в стеки, или они могут быть подключенным в некоторой комбинации последовательного и параллельного электрического соединения.

Модуль Пельтье с Вентилятор и радиатор отводят тепло от радиатора. p6.gif>

---

.

S H Цена 26 марта 2007 Веб-проект Physics 212

Что такое эффект Зеебека и эффект Пельтье? »Science ABC

Эффект Зеебека и эффект Пельтье — два основных принципа, которые определяют работу термоэлектрических генераторов.

Эффект Зеебека и эффект Пельтье могут быть классифицированы под термином термоэлектрический эффект . Любой термоэлектрический эффект предполагает преобразование разницы температур в разность напряжений. Эффекты Зеебека и Пельтье — это разные проявления одного и того же физического процесса. В некоторых случаях они связаны и известны как эффект Зеебека-Пельтье . Причина, по которой эти два эффекта разделены, связана с их независимыми открытиями двумя разными людьми.Давайте сначала подробно рассмотрим, что такое эффект Зеебека.

Что такое эффект Зеебека?

Эффект Зеебека был открыт балтийским немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Эффект Зеебека — это явление, при котором разница температур между двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками создает разницу напряжений между этими двумя веществами.

Когда тепло применяется к одному из двух проводников или полупроводников, электроны возбуждаются из-за тепла.Поскольку нагревается только одна из двух сторон, электроны начинают двигаться к более холодной стороне двух проводников. Если оба проводника соединены в виде цепи, по цепи протекает постоянный ток.

Напряжения, создаваемые эффектом Зеебека, крошечные. Диапазон создаваемого напряжения обычно составляет порядка нескольких микровольт (одна миллионная вольт) на один градус Кельвина разницы температур на переходе. Если разница температур достаточно велика, некоторые устройства могут продолжать вырабатывать несколько милливольт (что составляет одну тысячную вольта).

Несколько таких устройств могут быть подключены параллельно для увеличения максимального передаваемого тока. Было показано, что такие устройства обеспечивают маломасштабный уровень электрической мощности, если поддерживается большая разница температур на стыках.

Демонстрация эффекта обратной связи

Эффект Зеебека может помочь нам рассчитать электродвижущее поле, создаваемое устройством. Это можно сделать с помощью коэффициента Зеебека. Коэффициент Зеебека материала — это мера величины повышенного термоэлектрического напряжения в ответ на разницу температур в данном материале.Используя электродвижущую силу, мы также можем рассчитать плотность тока термоэлектрического материала. Соответствующие уравнения для этого следующие:

Eemf = -S∆T

J = σ (-∆V + Eemf)

Здесь J означает плотность тока, а σ означает локальную проводимость дирижера.

Что такое эффект Пельтье?

Эффект Пельтье был назван в честь французского физика Жана Шарля Атанаса Пельтье, который открыл это явление в 1834 году.Эффект Пельтье — это наличие нагрева или охлаждения на электрифицированном стыке двух разных проводников. Когда ток проходит через соединение между двумя проводниками, в месте соединения может добавляться или отводиться тепло.

Демонстрация эффекта Пельтье

Тепло Пельтье, генерируемое на стыке в единицу времени, — это где ∏A и ∏B — коэффициенты Пельтье.

Q = (∏A — ∏ B) I

Здесь A и B обозначают два конца проводников, а I — электрический ток.Коэффициенты Пельтье показывают, сколько тепла переносится на единицу заряда. Поскольку заряд должен быть непрерывным через соединение, связанный с ним тепловой поток будет прерывистым, если ∏A и ∏B различны.

Эффект Пельтье можно рассматривать как обратный аналог эффекта Зеебека: если простая термоэлектрическая цепь замкнута, то эффект Зеебека будет управлять током, который, в свою очередь (за счет эффекта Пельтье), всегда будет передавать тепло от горячий спай к холодному спайу.

Статьи по теме

Статьи по теме

Типичный тепловой насос Пельтье включает в себя несколько последовательно соединенных переходов, через которые проходит ток. Некоторые переходы теряют тепло из-за эффекта Пельтье, а другие нагреваются. Это явление используется в термоэлектрических тепловых насосах, а также в термоэлектрических охлаждающих устройствах в холодильниках.

Изучение эффекта Пельтье в органических термоэлектрических пленках

Оптимизация основных механизмов и устройств

Поли (Ni-ett) используется в качестве материала ОТЭ из-за его выдающихся характеристик TE и отличной стабильности ²¹ .Связанные с этим термические процессы обычного тонкопленочного устройства с боковой геометрией, состоящего из двух золотых электродов и пленки поли (Ni-ett), показаны на дополнительном рис. 1. С током, направленным от поли (Ni-ett) пленки. ett) на золотой электрод, охлаждающая способность Пельтье на контакте определяется уравнением d Q / d t = ( Π _Ni-ett — Π _Au ) I ≈ Π _TE I потому что | Π _Ni-ett | ≫ Π _Au , где Π и I — коэффициент Пельтье и ток соответственно.И наоборот, другой контакт, по которому ток течет от золота к поли (Ni-ett), имеет такую ​​же способность к нагреванию. Наряду с эффектом Пельтье, многие вышеупомянутые тепловые процессы также сосуществуют в рабочем устройстве и играют завершающую роль в определении распределения температуры. Например, джоулев нагрев и различные процессы рассеивания тепла способствуют повышению и понижению температуры устройства соответственно. Для устройства на основе поли (Ni-ett) на стеклянной подложке сочетание нескольких эффектов приводит к неочевидному Δ T <50 мК на двух контактах даже при плотности тока 1.5 A мм ⁻² (дополнительный рисунок 2-3 и дополнительное примечание 1). Учитывая, что тепловым излучением можно пренебречь, рассеивание тепла происходит «вертикально» в подложки (межслойная теплопроводность), а воздух (тепловая конвекция) доминирует в распределении температуры в пленке, что приводит к почти незаметному эффекту Пельтье в обычных тонких пленках. пленочное устройство. Результат показывает, что относительно низкая теплопроводность материалов OTE делает их распределение температуры чувствительным к воздействию внешней атмосферы.Следовательно, обнаружение эффекта Пельтье в пленках ОТЭ является сложной задачей, и создание теплоизолированных устройств чрезвычайно важно для изучения эффекта Пельтье в тонких пленках ОТЭ.

Мы исследовали эффект Пельтье, изготовив устройство на основе поли (Ni-ett) на ультратонкой (300 нм) суспендированной париленовой пленке (рис. 1а). Парилен используется в качестве теплоизоляционной основы из-за его низкой теплопроводности и отличных механических свойств ( κ _RT = 0.084 Вт м ^-1 K ^-1 , модуль Юнга: 2,8 ГПа). Информация о производстве подробно описана в разделах «Методы» и «Дополнительная информация» (рис. 1 и дополнительный рис. 4). Пленка поли (Ni-ett) демонстрирует ZT _300K 0,06 из-за множественных процессов переноса во время изготовления устройства (дополнительный рис. 5). По сравнению с устройствами на основе стеклянной подложки, измеренными в воздухе, пленка была измерена с использованием геометрии устройства с термической подвеской и поддержания вакуума 6 × 10 ⁻⁴ Па для минимизации рассеивания тепла, на что указывает резко увеличенное Δ T (> 200 раз) на двух контактах от <0.От 05 K до> 12 K при плотности тока 1,5 A мм ⁻² (дополнительный рисунок 6-8). Результат подчеркивает термическую подвеску устройств.

Рис. 1

Механизм эффекта Пельтье и геометрия устройства. a Схематическое изображение эффекта Пельтье и других тепловых процессов в тонкопленочном термоэлектрическом (ТЭ) устройстве с боковой структурой. В устройстве одновременно происходит эффект Пельтье, джоулев нагрев, внутренняя теплопередача внутри ТЕ-пленки, межслойная теплопроводность к подложке, тепловая конвекция в воздух и тепловое излучение. b Схематическое изображение органического TE (OTE) устройства на суспендированной париленовой пленке и молекулярной структуры поли (Ni-ett). c Фотография OTE-устройства на париленовой пленке 300 нм. d Схематическое изображение распределения температуры, вызванного джоулевым нагревом и эффектом Пельтье. Электрическое охлаждение и нагрев различных контактов электрода / ТЕ позволяют устройству работать в качестве теплового двигателя для твердотельных охлаждающих элементов

Наблюдение эффекта Пельтье в пленке ОТЕ

Изготовив устройство ОТЭ с термической подвеской, мы используем его для изучить пространственно разрешенное распределение температуры с помощью ИК-микроскопии (дополнительный рис.9). В этом случае эффект Пельтье и джоулев нагрев можно различить в одном сканировании измерения ^22,23,24 , поскольку первый эффект является обратимым термодинамическим явлением, которое линейно зависит от тока (∝ I ) и соответствует частота смещения, тогда как джоулев нагрев принципиально другой и демонстрирует необратимый квадратичный отклик (∝ I ² ) (рис. 2а). Следовательно, мы получили вклад эффекта Пельтье в распределение температуры путем анализа отклика сигнала при смещении переменного тока с модуляцией прямоугольной волны \ (\ Delta T _ {{\ mathrm {Peltier}}} {\ mathrm {=}} (\ Delta T _ {{j} +} — \ Delta T _ {{j} -}) / 2, \ Delta T _ {{\ mathrm {Joule}}} = (\ Delta T _ {{j} +} + \ Delta T_ { {j} -}) / 2 \).

Рис. 2

Визуализация джоулева нагрева и эффектов Пельтье органического термоэлектрического (ОТЭ) устройства. a Схематическое изображение механизма разделения джоулева нагрева и эффекта Пельтье. Эффект Пельтье и джоулев нагрев являются нечетными и четными функциями приложенного тока соответственно. Когда применяется прямоугольный переменный ток, направление распределения температуры, вызванное эффектом Пельтье, изменяется с током, тогда как распределение температуры, вызванное джоулевым нагревом, остается постоянным. b Инфракрасное изображение OTE-устройства с током ± 0,3 A мм ⁻² . Ток от левого электрода к правому определяется как прямое направление (+) и наоборот (-). c Распределение температуры устройства OTE при различных токах и отдельный вклад джоулева нагрева и эффекта Пельтье в температуру пленки. Резкое падение температуры обнаженных электродов возникает из-за низкой излучательной способности золотых электродов

На рис. 2b сравнивается зарегистрированное распределение температуры рабочего устройства при протекании тока ± 0.3 A мм ⁻² . Джоулев нагрев подтверждается увеличением температуры всего устройства, тогда как эффект Пельтье подтверждается обратным распределением температуры вместе с переключенным направлением тока. Эти комбинированные эффекты приводят к асимметричному повышению температуры и к линейному температурному профилю в зависимости от направления тока. Рисунок 2c дополнительно иллюстрирует пространственно разрешенное распределение температуры устройства и отдельные вклады двух эффектов при различных токовых смещениях.Когда плотность тока <0,9 A мм ⁻² , равномерный джоулев нагрев пленки составляет примерно половину изменения температуры. Напротив, джоулев нагрев при плотности тока 1,5 А · мм ⁻² составляет более четырех пятых изменения температуры в режиме контакта, показывая, что повышение температуры масштабируется пропорционально квадрату тока смещения. Следует отметить, что эффект теплоотвода электродов становится существенным с увеличением плотности тока, что приводит к неоднородному вкладу джоулева нагрева вблизи контактов.Напротив, распределение температуры, вызванное эффектом Пельтье, центросимметрично с исчезающим изменением температуры в центре, независимо от токов (рис. 2c). Примечательно, что максимальное значение Δ T на двух контактах линейно увеличивается от 2,8 до 12 К вместе с увеличением плотности тока с 0,3 до 1,5 А мм ⁻² . Этот результат согласуется с пропорциональным соотношением между эффектом Пельтье и величиной тока, что дополнительно подтверждает прямое наблюдение эффекта Пельтье в пленке ОТЕ.

Переходное ИК-измерение

Чтобы исследовать, как эффект Пельтье влияет на изменение температуры пленки ОТЕ, мы выполнили переходные ИК-характеристики с частотой 500 Гц. Рисунки 3a – d иллюстрируют зависящий от времени вклад эффекта Пельтье в изменение температуры пленки при разном токе смещения. Благодаря быстрому нагреву / охлаждению эффекта Пельтье, промежуточная плотность тока 0,3 А мм ⁻² приводит к небольшому изменению температуры (<0.1 К) вблизи контактов в течение 10 мс (рис. 3а). Увеличение плотности тока с 0,3 до 1,5 А · мм ⁻² приводит к линейно увеличенным изменениям температуры от 0,08 до 0,34 К. Особо следует отметить, что охлаждение / нагрев Пельтье ограничивается областями вблизи контактов (<300 мкм) в пределах 10 мс. Более продолжительное время работы способствует очевидному увеличению Δ T и увеличению расстояния рассеивания тепла (рис. 3b – e). Энергия нагрева / охлаждения диффундирует в центральную часть пленки при 0.17 с, где Δ T на двух контактах достигает 4,6 К. После этого тепловой баланс, вызванный эффектом Пельтье и внутренней теплопроводностью через пленку, может быть достигнут в течение нескольких секунд независимо от плотности тока. Например, Δ T на двух контактах показывает насыщение при 12,6 K при плотности тока 1,5 A мм ⁻² в течение <3 с. Одним словом, конкуренция между быстрым нагревом / охлаждением Пельтье и относительно медленной внутренней теплопроводностью приводит к нелинейному увеличению максимума Δ T со временем (рис.3е). На рисунке 3g также показано изменение измеренной мощности нагрева / охлаждения Пельтье (d Q / d t ) во времени. Следует отметить, что измеренная мощность практически не зависит от времени смещения в пределах 0,2 с. Продолжительное смещение приводит к очевидному снижению измеряемой мощности из-за вышеупомянутой теплопроводности внутри пленки. Следовательно, исследование нестационарного температурного распределения со временем смещения <0,2 с является жизненно важным для понимания процессов динамического вклада эффекта Пельтье в этом тонкопленочном устройстве.

Рис. 3

Переходная инфракрасная характеристика эффекта Пельтье. Вызванное эффектом Пельтье распределение температуры в направлении тока при плотностях тока 0,3, 0,9 и 1,5 A мм ⁻² для a 0,01 с, b 0,05 с, c 0,17 с и d 1 с. e Распределение температуры, вызванное эффектом Пельтье, в направлении тока при 0,01, 0,05 и 0,1 с при плотности тока 1,5 А мм ⁻² . f Разница температур на двух контактах в зависимости от времени смещения для разных плотностей тока. г Измеренная мощность нагрева / охлаждения Пельтье в зависимости от времени. ч Экспериментальное и смоделированное распределение температуры, обусловленное джоулевым нагревом и эффектом Пельтье при плотности тока 1,5 А мм ⁻² в течение 0,01 с

Моделирование методом конечных элементов распределения температуры переходного процесса (0,01−0,1 с) в идеальном адиабатическое устройство (без каких-либо подложек и контактирующих зондов) было выполнено, чтобы подтвердить наши экспериментальные результаты (см. дополнительные рис.10-11 и дополнительное примечание 2). Когда устройство работает при токе смещения 1,5 А · мм ⁻² в течение 10 мс, смоделированный джоулев нагрев дает равномерное повышение температуры на 0,80 К, что выше, чем в экспериментальных результатах (0,62 К). Эта небольшая разница в основном вызвана слабым тепловыделением ультратонкой взвешенной париленовой пленки. Напротив, экспериментальный результат эффекта Пельтье (Δ T _max = 0,34 K, Q _p = 0.58 мкДж) соответствует 45,3% / 50,9% прогнозируемых значений в идеальном устройстве (Δ T _{max, s} = 0,75 K, Q _{p, s} = 1,14 мкДж) (дополнительный рисунок 11) . Относительно большая разница основана на той внутренней особенности, что эффект Пельтье возникает только на контакте Au / поли (Ni-ett), что приводит к особенно значительному эффекту неизбежного рассеивания тепла (контактирующим зондам через электроды) на измеряемое охлаждение / нагрев. мощность на двух контактах. Примечательно, что эффект Пельтье в пленках поли (Ni-ett) практически не наблюдается в обычных устройствах (<0.2% от прогнозируемого результата), и таким образом устройство с термической подвеской позволяет квазиколичественно оценить эффект Пельтье в пленках ОТЕ.

Термоэлектрики и эффект Пельтье

Эффект Пельтье относится к термоэлектрикам (электричество, генерируемое в результате производства и существования тепла) и описывается как когда электрический ток течет по цепи, в которой есть два разных типа полупроводников (вещество, которое может проводить электричество при определенных условиях) и в результате возникает эффект нагрева или охлаждения.Обнаружено, что это заметно в месте соединения двух проводников. Один спай испытывает охлаждающий эффект, а другой — нагревательный. Изменение температуры известно как эффект Пельтье.

Использование и применение эффекта Пельтье

Эффект Пельтье из-за использования полупроводников может вызывать эффект нагрева или охлаждения. Этот конечный результат использования полупроводников может быть применен к инновационной технологии охлаждения.Ярким примером инновационной технологии охлаждения являются термоэлектрический охладитель и термоэлектрический холодильник. Долой старое и вовлекайся в новое! Термоэлектрические охладители и термоэлектрические холодильники заменяют потребность и использование громкого и громоздкого охлаждения на основе компрессора. Термоэлектрики в сфере охлаждения и охлаждения обеспечивают снижение шума и требуют прекращения выброса ядовитых паров (таких как хлорфторуглероды, такие как фреон). Охладители Пельтье обладают множеством преимуществ, таких как длительный срок службы, отсутствие движущихся частей, по которым циркулирует жидкость, неуязвимость к утечкам и компактная форма.

Фононика и эффект Пельтье

Phononic стремится сделать мир более прохладным. Phononic делает это за счет производства и изготовления своей технологии охлаждения без компрессора и с использованием полупроводников. Phononic использует эффект Пельтье за ​​счет использования полупроводников для получения конечного результата, который охлаждает содержимое их продуктов (например, холодильников). Phononic использует полупроводники для производства холодильников и морозильников. Помимо использования термоэлектрических компонентов для охлаждения оптоэлектронных устройств.

Введение в термоэлектрическое охлаждение — термоэлектрическое

1.0 Введение в термоэлектрическое охлаждение

1,1 Термоэлектрический (ТЭ) охладитель, иногда называемый термоэлектрическим модулем или охладителем Пельтье, представляет собой электронный компонент на основе полупроводников, который функционирует как небольшой тепловой насос. При подаче низковольтного источника питания постоянного тока на ТЕ-модуль тепло будет перемещаться через модуль от одной стороны к другой. Таким образом, одна поверхность модуля будет охлаждаться, в то время как противоположная сторона одновременно нагревается.Важно отметить, что это явление можно обратить вспять, когда изменение полярности (плюс и минус) приложенного напряжения постоянного тока приведет к перемещению тепла в противоположном направлении. Следовательно, термоэлектрический модуль может использоваться как для нагрева, так и для охлаждения, что делает его очень подходящим для приложений точного контроля температуры.

1.1.1 Чтобы дать новому пользователю общее представление о возможностях термоэлектрического охладителя, было бы полезно предложить этот пример.Если бы типичный одноступенчатый термоэлектрический модуль был помещен на радиатор, который поддерживался при комнатной температуре, а затем модуль был подключен к подходящей батарее или другому источнику постоянного тока, «холодная» сторона модуля остыла бы примерно до — 40 ° С. В этот момент модуль почти не будет перекачивать тепло и достигнет своего максимального номинального значения «DeltaT (DT)». Если постепенно подводить тепло к холодной стороне модуля, температура холодной стороны будет постепенно увеличиваться, пока в конечном итоге не сравняется с температурой радиатора.На этом этапе охладитель TE достиг бы своей максимальной номинальной «тепловой насосной мощности» (Qmax).

1,2 Как термоэлектрические холодильники, так и механические холодильники подчиняются одним и тем же фундаментальным законам термодинамики, и обе холодильные системы, хотя и значительно различаются по форме, функционируют в соответствии с одними и теми же принципами.

В механической холодильной установке компрессор повышает давление жидкости и обеспечивает циркуляцию хладагента по системе.В испарителе или «морозильной камере» хладагент закипает, и в процессе превращения в пар хладагент поглощает тепло, в результате чего морозильная камера становится холодной. Тепло, поглощаемое в морозильной камере, перемещается в конденсатор, где оно передается в окружающую среду от конденсирующегося хладагента. В термоэлектрической системе охлаждения легированный полупроводниковый материал по существу заменяет жидкий хладагент, конденсатор заменяется оребренным радиатором, а компрессор заменяется источником питания постоянного тока.Приложение мощности постоянного тока к термоэлектрическому модулю заставляет электроны перемещаться через полупроводниковый материал. На холодном конце (или «морозильной стороне») полупроводникового материала тепло поглощается движением электронов, проходит через материал и отводится на горячем конце. Поскольку горячий конец материала физически прикреплен к радиатору, тепло передается от материала к радиатору, а затем, в свою очередь, передается в окружающую среду.

1,3 Физические принципы, на которых основаны современные термоэлектрические охладители, на самом деле восходят к началу 1800-х годов, хотя коммерческие TE-модули не были доступны почти до 1960 года.Первое важное открытие, касающееся термоэлектричества, произошло в 1821 году, когда немецкий ученый Томас Зеебек обнаружил, что электрический ток будет непрерывно течь по замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов, при условии, что соединения металлов поддерживаются при двух разных температурах. Однако Зеебек на самом деле не понимал научной основы своего открытия и ошибочно предполагал, что текущее тепло производит тот же эффект, что и электрический ток. В 1834 году французский часовщик и физик, работающий по совместительству, Жан Пельтье, исследуя «эффект Зеебека», обнаружил противоположное явление, при котором тепловая энергия может поглощаться на одном стыке разнородных металлов и разряжаться на другом стыке, когда электрический ток течет по замкнутому контуру.Двадцать лет спустя Уильям Томсон (впоследствии известный как лорд Кельвин) опубликовал исчерпывающее объяснение эффектов Зеебека и Пельтье и описал их взаимосвязь. Однако в то время эти явления все еще считались лабораторными диковинками и не имели практического применения.

В 1930-х годах российские ученые приступили к изучению некоторых из ранних термоэлектрических работ, пытаясь сконструировать генераторы для использования в удаленных местах по всей стране.Этот интерес россиян к термоэлектричеству в конечном итоге привлек внимание остального мира и вдохновил на разработку практических термоэлектрических модулей. В современных термоэлектрических охладителях используется современная полупроводниковая технология, в соответствии с которой легированный полупроводниковый материал заменяет разнородные металлы, которые использовались в ранних термоэлектрических экспериментах.

1,4 Эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона вместе с некоторыми другими явлениями составляют основу функциональных термоэлектрических модулей.Не вдаваясь в подробности, мы рассмотрим некоторые из этих фундаментальных термоэлектрических эффектов.

1.4.1 ЭФФЕКТ Зеебека: Чтобы проиллюстрировать эффект Зеебека, давайте рассмотрим простую схему термопары, показанную на рисунке (1.1). Проводники термопары представляют собой два разнородных металла, обозначенных как Материал x и Материал y.

В типичном приложении для измерения температуры термопара A используется в качестве «эталона» и поддерживается при относительно низкой температуре Tc.Термопара B используется для измерения интересующей температуры (Th), которая в этом примере выше температуры Tc. Когда к термопаре B приложено тепло, на клеммах T1 и T2 появится напряжение. Это напряжение (Vo), известное как ЭДС Зеебека, может быть выражено как:

Vo = выходное напряжение в вольтах
axy = дифференциальный коэффициент Зеебека между двумя материалами, x и y, в вольтах / ° K
Th и Tc = температура горячей и холодной термопары, соответственно , в ° К

1.4.2 ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ: Если мы изменим нашу схему термопары, чтобы получить конфигурацию, показанную на рисунке (1.2), можно будет наблюдать противоположное явление, известное как эффект Пельтье.

Если напряжение (Vin) приложено к клеммам T1 и T2, в цепи будет протекать электрический ток (I). В результате протекания тока небольшой эффект охлаждения (Qc) будет возникать в месте соединения A термопары, где поглощается тепло, и эффект нагрева (Qh) будет возникать в соединении B, где отводится тепло.Обратите внимание, что этот эффект может быть обращен вспять, когда изменение направления электрического тока изменит направление теплового потока на противоположное. Математически эффект Пельтье можно выразить как:

pxy — это дифференциальный коэффициент Пельтье между двумя материалами, x и y, в вольтах, I — электрический ток в амперах, Qc, Qh — скорость охлаждения и нагрева, соответственно, в ваттах.

Джоулева нагрев, имеющий величину I x R (где R — электрическое сопротивление), также происходит в проводниках в результате протекания тока.Этот эффект нагрева Джоуля действует противоположно эффекту Пельтье и приводит к чистому снижению доступного охлаждения.

1.4.3 ЭФФЕКТ ТОМСОНА: Когда электрический ток проходит через проводник, имеющий градиент температуры по всей его длине, тепло будет либо поглощаться проводником, либо отводиться от него. Поглощение или отвод тепла зависит от направления электрического тока и температурного градиента. Это явление, известное как эффект Томсона, представляет интерес с точки зрения задействованных принципов, но играет незначительную роль в работе практических термоэлектрических модулей.По этой причине он игнорируется.

.