Peltjē efekts: elektriskās strāvas maģiskais efekts

19. gadsimta sākums. Fizikas un elektrotehnikas zelta laikmets. 1834. gadā franču pulksteņu izgatavotājs un naturālists Žans Čārlzs Peltjē ievietoja ūdens pilienu starp bismuta un antimona elektrodiem un pēc tam caur ķēdi izlaida elektrisko strāvu. Izbrīnīts, viņš ieraudzīja, ka piliens pēkšņi bija sasalis.

Bija zināms elektriskās strāvas termiskais efekts uz vadītājiem, bet pretējais efekts bija līdzīgs maģijai. Jūs varat saprast Peltjēra jūtas: šī parādība divu dažādu fizikas jomu - termodinamikas un elektrības - krustojumā mūsdienās rada brīnuma sajūtu.

Dzesēšanas problēma nebija tik aktuāla kā šodien. Tāpēc Peltjē efekts tika apskatīts tikai pēc gandrīz diviem gadsimtiem, kad parādījās elektroniskas ierīces, kuru darbībai bija vajadzīgas miniatūras dzesēšanas sistēmas. Tikumība Peltier dzesēšanas elementi ir mazi izmēri, kustīgu detaļu neesamība, kaskādes savienojumu iespēja iegūt lielas temperatūras atšķirības.

Turklāt Peltiera efekts ir atgriezenisks: mainoties strāvas polaritātei caur moduli, dzesēšanu aizstāj ar sildīšanu, tāpēc ir viegli ieviest precīzas temperatūras uzturēšanas sistēmas - termostatus. Peltier elementu (moduļu) trūkums ir zema efektivitāte, kas prasa lielu pašreizējo vērtību summēšanu, lai iegūtu ievērojamu temperatūras starpību. Sarežģītību raksturo siltuma noņemšana no plāksnes, kas atrodas pretī atdzesētajai plaknei.

Bet vispirms viss. Vispirms mēģināsim apsvērt fiziskos procesus, kas ir atbildīgi par novēroto parādību. Neiedziļinoties matemātisko aprēķinu bezdibenī, mēs vienkārši mēģināsim izprast šīs interesantās fiziskās parādības būtību uz “pirkstiem”.

Tā kā mēs runājam par temperatūras parādībām, fiziķi matemātiskā apraksta ērtībai materiāla atomu režģa vibrācijas aizstāj ar noteiktu gāzi, kas sastāv no daļiņām - fononiem.

Fonona gāzes temperatūra ir atkarīga no apkārtējās vides temperatūras un metāla īpašībām. Tad jebkurš metāls ir elektronu un fononu gāzu maisījums termodinamiskajā līdzsvarā.Kad divi dažādi metāli nonāk saskarē, ja nav ārēja lauka, “karstāka” elektronu gāze nonāk “aukstāka” veida zonā, radot visiem zināmu kontakta potenciāla starpību.

Piemērojot potenciālo starpību pārejai, t.i. kad strāva plūst caur divu metālu robežu, elektroni ņem enerģiju no viena metāla fononiem un pārnes to uz cita fonona gāzi. Mainoties polaritātei, enerģijas pārnešana, kas nozīmē, ka apkure un dzesēšana mainās zīme.

Pusvadītājos elektroni un “caurumi” ir atbildīgi par enerģijas pārnesi, bet tiek saglabāts siltuma pārneses mehānisms un temperatūras starpības izskats. Temperatūras starpība palielinās, līdz tiek izsmelti augstas enerģijas elektroni. Temperatūras līdzsvars iestājas. Šis ir mūsdienu apraksta attēls Peltiera efekts.

No tā ir skaidrs, ka Peltier elementu izpildījums ir atkarīgs no materiālu pāra izvēles, strāvas stipruma un siltuma noņemšanas ātruma no karstās zonas. Mūsdienu materiāliem (parasti pusvadītājiem) efektivitāte ir 5-8%.

Un tagad par Peltiera efekta praktisko pielietojumu. Lai to palielinātu, atsevišķi termopāri (divu dažādu materiālu krustojumi) tiek samontēti grupās, kas sastāv no desmitiem un simtiem elementu. Šādu moduļu galvenais mērķis ir mazu priekšmetu vai mikroshēmu dzesēšana.

Termoelektriskais dzesēšanas modulis

Moduļi, kuru pamatā ir Peltjē efekts, tiek plaši izmantoti nakts redzamības ierīcēs ar infrasarkano uztvērēju matricu.Uzlādētām mikroshēmām (CCD), kuras mūsdienās tiek izmantotas arī digitālajās fotokamerās, nepieciešama dziļa dzesēšana, lai ierakstītu attēlus infrasarkanajā reģionā. Peltier moduļi atdzesē infrasarkanos detektorus teleskopos, aktīvos lāzera elementus radiācijas frekvences stabilizēšanai, kristāla oscilatori precīzās laika sistēmās. Bet tie visi ir militāri un speciāli pielietojumi.

Nesen Peltier moduļi ir atraduši pielietojumu mājsaimniecības izstrādājumos. Galvenokārt automobiļu tehnoloģijās: gaisa kondicionieri, pārnēsājamie ledusskapji, ūdens dzesētāji.

Peltjē efekta praktiskās izmantošanas piemērs

Interesantākais un daudzsološākais moduļu pielietojums ir datortehnoloģija. Augstas veiktspējas mikroprocesori, procesori un videokartes mikroshēmas izdala daudz siltuma. Lai tos atdzesētu, tiek izmantoti ātrgaitas ventilatori, kas rada ievērojamu akustisko troksni. Peltier moduļu izmantošana kā daļa no kombinētajām dzesēšanas sistēmām novērš troksni ar ievērojamu siltuma noņemšanu.

Kompakts USBdzesētājs, izmantojot Peltier moduļus

Un, visbeidzot, loģisks jautājums: vai Peltier moduļi aizstās tradicionālās dzesēšanas sistēmas kompresijas sadzīves ledusskapjos? Mūsdienās tas ir nerentabls efektivitātes (zemas efektivitātes) un cenas ziņā. Spēcīgu moduļu izmaksas joprojām ir diezgan augstas.

Bet tehnoloģijas un materiālu zinātne nestāv uz vietas. Nevar izslēgt iespēju parādīties jauni, lētāki materiāli ar augstu efektivitāti un augstu Peltjē koeficientu. Jau šodien no pētniecības laboratorijām tiek saņemti ziņojumi par pārsteidzošajām nanokarbonu materiālu īpašībām, kas, izmantojot efektīvas dzesēšanas sistēmas, var radikāli mainīt situāciju.

Tika saņemti ziņojumi par augstu termoelektrisko rādītāju pēc ieguvumiem - cieti šķīdumi, kas pēc struktūras līdzīgi hidrātiem. Kad šie materiāli atstāj pētījumu laboratorijas, pilnīgi parastie klusie dzesētāji ar neierobežotu kalpošanas laiku aizstās mūsu parastos mājas modeļus.

P.S. Vienuak no visvairāk interesanti funkcijas termoelektriskā tehnoloģija tas ir viņa ir var ne tikai izmantot elektriskā enerģija saņemt siltumu un aukstumu, bet arī paldies viņai varbet sāciet apgriezto procesu un, piemēram, iegūstiet elektrību no karstuma.  

Piemērs, kā jūs varat saņemt siltumu no elektrības ar izmantojot termoelektrisko moduli (termoelektriskais ģenerators) paskaties uz šo video:

Ko jūs domājat par šo? Gaidīsim jūsu komentārus!