Effet Peltier: l'effet magique du courant électrique

Le début du 19ème siècle. L'âge d'or de la physique et du génie électrique. En 1834, l'horloger et naturaliste français Jean-Charles Peltier a placé une goutte d'eau entre les électrodes de bismuth et d'antimoine, puis a fait passer un courant électrique à travers le circuit. À son grand étonnement, il a vu que la goutte avait soudainement gelé.

L'effet thermique du courant électrique sur les conducteurs était connu, mais l'effet inverse s'apparentait à de la magie. Vous pouvez comprendre les sentiments de Peltier: ce phénomène à la jonction de deux domaines physiques différents - la thermodynamique et l’électricité - provoque aujourd’hui un émerveillement.

Le problème du refroidissement n'était pas aussi aigu qu'aujourd'hui. Par conséquent, l'effet Peltier n'a été résolu qu'après près de deux siècles, lorsque des appareils électroniques sont apparus, pour le fonctionnement desquels des systèmes de refroidissement miniatures étaient nécessaires. Vertu Éléments de refroidissement Peltier sont de petites dimensions, l'absence de pièces mobiles, la possibilité de connexions en cascade pour obtenir de grandes différences de température.

De plus, l'effet Peltier est réversible: lorsque la polarité du courant à travers le module change, le refroidissement est remplacé par le chauffage, il est donc facile de mettre en œuvre des systèmes de maintien précis de la température - thermostats. L'inconvénient des éléments Peltier (modules) est leur faible efficacité, ce qui nécessite de résumer de grandes valeurs de courant pour obtenir une différence de température notable. La complexité est représentée par l'évacuation de la chaleur de la plaque opposée au plan refroidi.

Mais tout d'abord. Essayons d'abord de considérer les processus physiques responsables du phénomène observé. Sans plonger dans l'abîme des calculs mathématiques, nous allons juste essayer de comprendre la nature de ce phénomène physique intéressant sur les «doigts».

Puisque nous parlons de phénomènes de température, les physiciens, pour la commodité d'une description mathématique, remplacent les vibrations du réseau atomique d'un matériau par un certain gaz constitué, pour ainsi dire, de particules - phonons.

La température du gaz phonon dépend de la température ambiante et des propriétés du métal. Tout métal est alors un mélange de gaz d'électrons et de phonons en équilibre thermodynamique. Lorsque deux métaux différents entrent en contact en l'absence de champ extérieur, un gaz d'électrons «plus chaud» entre dans la zone d'un «plus froid», créant une différence de potentiel de contact connue de tous.

Lors de l'application de la différence de potentiel à la transition, c'est-à-dire lorsque le courant traverse la frontière de deux métaux, les électrons prennent de l'énergie des phonons d'un métal et la transfèrent au gaz phonon d'un autre. Avec un changement de polarité, le transfert d'énergie, ce qui signifie que le chauffage et le refroidissement, changent de signe.

Dans les semi-conducteurs, les électrons et les «trous» sont responsables du transfert d'énergie, mais le mécanisme de transfert de chaleur et l'apparition d'une différence de température sont préservés. La différence de température augmente jusqu'à épuisement des électrons de haute énergie. L'équilibre de température s'installe. Ceci est l'image moderne de la description Effet Peltier.

Il en ressort clairement que Performances des éléments Peltier dépend de la sélection d'une paire de matériaux, de la force du courant et de la vitesse d'évacuation de la chaleur de la zone chaude. Pour les matériaux modernes (généralement des semi-conducteurs), l'efficacité est de 5 à 8%.

Et maintenant sur l'application pratique de l'effet Peltier. Pour l'augmenter, des thermocouples individuels (jonctions de deux matériaux différents) sont assemblés en groupes constitués de dizaines et de centaines d'éléments. Le but principal de ces modules est le refroidissement de petits objets ou microcircuits.

Module de refroidissement thermoélectrique

Les modules basés sur l'effet Peltier sont largement utilisés dans les appareils de vision nocturne avec une matrice de récepteurs infrarouges.Les microcircuits à couplage de charge (CCD), qui sont également utilisés aujourd'hui dans les appareils photo numériques, nécessitent un refroidissement profond pour enregistrer des images dans la région infrarouge. Les modules Peltier refroidissent les détecteurs infrarouges dans les télescopes, les éléments laser actifs pour stabiliser la fréquence du rayonnement, oscillateurs à cristal dans les systèmes de temps exacts. Mais ce sont toutes des applications militaires et spéciales.

Récemment, les modules Peltier ont trouvé une application dans les produits ménagers. Principalement dans la technologie automobile: climatiseurs, réfrigérateurs portables, refroidisseurs d'eau.

Un exemple d'utilisation pratique de l'effet Peltier

L'application la plus intéressante et la plus prometteuse des modules est la technologie informatique. Les microprocesseurs, processeurs et puces de carte vidéo hautes performances émettent beaucoup de chaleur. Pour les refroidir, des ventilateurs à grande vitesse sont utilisés, ce qui crée un bruit acoustique important. L'utilisation de modules Peltier dans le cadre de systèmes de refroidissement combinés élimine le bruit avec une importante évacuation de la chaleur.

Compact USBrefroidisseur utilisant des modules Peltier

Et, enfin, une question logique: les modules Peltier remplaceront-ils les systèmes de refroidissement conventionnels dans les réfrigérateurs ménagers à compression? Aujourd'hui, il n'est pas rentable en termes d'efficacité (faible efficacité) et de prix. Le coût des modules puissants est encore assez élevé.

Mais la technologie et la science des matériaux ne s'arrêtent pas. Il est impossible d'exclure la possibilité de l'apparition de nouveaux matériaux moins chers à haute efficacité et à coefficient Peltier élevé. Déjà aujourd'hui, des rapports de laboratoires de recherche révèlent les propriétés étonnantes des matériaux nanocarbonés qui peuvent changer radicalement la situation avec des systèmes de refroidissement efficaces.

Il y a eu des rapports de haute valeur thermoélectrique du mérite des clastrates - solutions solides de structure similaire aux hydrates. Lorsque ces matériaux sortent des laboratoires de recherche, des refroidisseurs complètement silencieux à durée de vie illimitée remplaceront nos modèles domestiques habituels.

P.S. Unoh des plus intéressant caractéristiques technologie thermoélectrique est-ce elle est peut pas seulement utiliser énergie électrique pour avoir de la chaleur et du froid, mais aussi grâce à elle peutmais démarrer le processus inverse, et, par exemple, obtenir de l'énergie électrique de la chaleur.  

Un exemple de comment vous pouvez obtenir de l'électricité grâce à la chaleur avec utilisant un module thermoélectrique (générateur thermoélectrique) regarde ça vidéo:

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