Module thermoélectrique Peltier - appareil, principe de fonctionnement, caractéristiques

Le phénomène de l'émergence des thermo-CEM a été découvert par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck en 1821. Et ce phénomène consiste dans le fait que dans un circuit électrique fermé constitué de conducteurs hétérogènes connectés en série, à condition que leurs contacts soient à des températures différentes, un CEM se produit.

Cet effet, nommé d'après son découvreur, l'effet Seebeck, est maintenant simplement appelé effet thermoélectrique.

Si le circuit se compose uniquement d'une paire de conducteurs différents, alors un tel circuit est appelé thermocouple. En première approximation, on peut avancer que la grandeur de la thermo-emf ne dépend que du matériau des conducteurs et des températures des contacts froids et chauds. Ainsi, dans une petite plage de températures, le thermo-EMF est proportionnel à la différence de température entre les contacts froids et chauds, et le coefficient de proportionnalité dans la formule est appelé coefficient thermo-EMF.

Ainsi, par exemple, à une différence de température de 100 ° C, à une température de contact à froid de 0 ° C, une paire de cuivre-constantan a une valeur thermo-EMF de 4,25 mV.

Pendant ce temps L'effet thermoélectrique repose sur trois composantes:

Le premier facteur est la différence entre différentes substances dans la dépendance de l'énergie électronique moyenne à la température. En conséquence, si la température du conducteur à une extrémité est plus élevée, alors les électrons y acquièrent des vitesses plus élevées que les électrons à l'extrémité froide du conducteur.

Soit dit en passant, la concentration d'électrons de conduction augmente également dans les semi-conducteurs avec chauffage. Les électrons se précipitent vers l'extrémité froide à une vitesse élevée, et une charge négative s'y accumule, et une charge positive non compensée est obtenue à l'extrémité chaude. Il y a donc un composant de thermo-EMF, appelé EMF volumétrique.

Le deuxième facteur est que pour différentes substances, la différence de potentiel de contact dépend différemment de la température. Cela est dû à la différence d'énergie de Fermi de chacun des conducteurs mis en contact. La différence de potentiel de contact qui se produit dans ce cas est proportionnelle à la différence d'énergie de Fermi.

Un champ électrique est obtenu dans une couche mince de contact, et la différence de potentiel de chaque côté (pour chacun des conducteurs mis en contact) sera la même, et lorsque le circuit est encerclé en circuit fermé, le champ électrique résultant sera nul.

Mais si la température de l'un des conducteurs diffère de la température de l'autre, alors en raison de la dépendance de l'énergie de Fermi à la température, la différence de potentiel changera également. En conséquence, il y aura contact EMF - le deuxième composant de thermo-EMF.

Le troisième facteur est l'augmentation des phonons dans les CEM. Pourvu qu'il y ait un gradient de température dans le solide, le nombre de phonons (phonon - le quantum du mouvement vibratoire des atomes de cristal) se déplaçant dans la direction de l'extrémité chaude vers le froid prévaudra, à la suite de quoi avec les phonons, un grand nombre d'électrons seront emportés vers l'extrémité froide , et une charge négative s'y accumulera jusqu'à ce que le processus arrive à l'équilibre.

Cela donne le troisième composant du thermo-EMF, qui à basse température peut être des centaines de fois plus élevé que les deux composants mentionnés ci-dessus.

En 1834, le physicien français Jean Charles Peltier découvre l'effet inverse. Il a constaté que lorsqu'un courant électrique traverse une jonction de deux conducteurs différents, la chaleur est libérée ou absorbée.

La quantité de chaleur absorbée ou libérée est associée au type de substances soudées, ainsi qu'à la direction et à l'amplitude du courant électrique traversant la jonction.Le coefficient de Peltier dans la formule est numériquement égal au coefficient de thermo-EMF multiplié par la température absolue. Ce phénomène est désormais connu sous le nom de effet peltier.

En 1838, le physicien russe Emiliy Khristianovich Lenz a compris l'essence de l'effet Peltier. Il a expérimentalement testé l'effet Peltier en plaçant une goutte d'eau à la jonction d'échantillons d'antimoine et de bismuth. Lorsque Lenz a fait passer un courant électrique à travers le circuit, l'eau s'est transformée en glace, mais lorsque le scientifique a inversé la direction du courant, la glace a rapidement fondu.

Le scientifique a établi de telle manière que lorsque le courant circule, non seulement la chaleur Joule est libérée, mais également l'absorption ou la libération de chaleur supplémentaire se produit. Cette chaleur supplémentaire était appelée chaleur Peltier.

La base physique de l'effet Peltier est la suivante. Le champ de contact à la jonction de deux substances, créé par la différence de potentiel de contact, empêche le passage du courant dans le circuit ou y contribue.

Si le courant est passé contre le champ, alors le travail de la source est nécessaire, qui devrait dépenser de l'énergie pour surmonter le champ de contact, à la suite de quoi la jonction est chauffée. Si le courant est dirigé de manière à ce que le champ de contact le soutienne, alors le champ de contact fait le travail et l'énergie est retirée de la substance elle-même et non consommée par la source de courant. En conséquence, la substance dans la jonction est refroidie.

L'effet Peltier le plus prononcé dans les semi-conducteurs, en raison de quels modules Peltier ou convertisseurs thermoélectriques.

Au coeur de Élément Peltier deux semi-conducteurs en contact l'un avec l'autre. Ces semi-conducteurs se distinguent par l'énergie des électrons dans la bande de conduction, donc lorsqu'un courant passe par le point de contact, les électrons sont obligés d'acquérir de l'énergie afin de pouvoir transférer vers une autre bande de conduction.

Ainsi, lors du passage à une bande de conduction d'énergie supérieure d'un autre semi-conducteur, les électrons absorbent l'énergie, refroidissant le site de transition. Dans le sens opposé du courant, les électrons dégagent de l'énergie, et le chauffage se produit en plus de la chaleur Joule.

Le module semi-conducteur Peltier se compose de plusieurs paires semi-conducteurs de type p et nen forme de petits parallélépipèdes. Habituellement, le tellurure de bismuth et une solution solide de silicium et de germanium sont utilisés comme semi-conducteurs. Les parallélépipèdes semi-conducteurs sont interconnectés deux à deux par des cavaliers en cuivre. Ces cavaliers servent de contacts pour l'échange de chaleur avec des plaques en céramique.

Les cavaliers sont situés de telle sorte que d'un côté du module il n'y a que des cavaliers assurant la transition n-p et, d'autre part, que des cavaliers assurant la transition p-n. Par conséquent, lorsqu'un courant est appliqué, un côté du module chauffe, l'autre côté se refroidit et si la polarité de l'alimentation est inversée, les côtés de chauffage et de refroidissement changeront de place en conséquence. Ainsi, avec le passage du courant, la chaleur est transférée d'un côté du module à l'autre, et une différence de température se produit.

Si maintenant un côté du module Peltier est chauffé et l'autre refroidi, alors la thermo-emf apparaîtra dans le circuit, c'est-à-dire que l'effet Seebeck sera réalisé. Évidemment, l'effet Seebeck (effet thermoélectrique) et l'effet Peltier sont les deux faces d'une même médaille.

Aujourd'hui, vous pouvez facilement acheter des modules Peltier à un prix relativement abordable. Les modules Perrier les plus populaires sont de type TEC1-12706, contenant 127 thermocouples, et conçus pour une alimentation de 12 volts.

Avec une consommation maximale de 6 ampères, une différence de température de 60 ° C est réalisable, tandis que la plage de fonctionnement sûre revendiquée par le fabricant est de -30 ° C à + 70 ° C. La taille du module est de 40 mm x 40 mm x 4 mm. Le module peut fonctionner à la fois en mode refroidissement-chauffage et en mode de génération.

Il existe des modules Peltier plus puissants, par exemple TEC1-12715, d'une puissance nominale de 165 watts. Lorsqu'il est alimenté par une tension de 0 à 15,2 volts, avec une intensité de courant de 0 à 15 ampères, ce module est capable de développer une différence de température de 70 degrés.La taille du module est également de 40 mm x 40 mm x 4 mm, cependant, la plage de températures de travail sûres est plus large - de -40 ° C à + 90 ° C.

Le tableau ci-dessous présente les données sur les modules Peltier qui sont largement disponibles sur le marché aujourd'hui:

Données sur les modules Pelt