Ефект на Пелтие: магическият ефект на електрическия ток

Началото на 19 век. Златният век на физиката и електротехниката. През 1834 г. френският часовникар и натуралист Жан-Чарлз Пелтие постави капка вода между електродите на бисмута и антимона, след което премина електрически ток през веригата. За негово учудване той видя, че капката внезапно е замръзнала.

Топлинният ефект на електрическия ток върху проводниците беше известен, но обратният ефект беше подобен на магията. Можете да разберете чувствата на Пелтие: това явление в пресечната точка на две различни области на физиката - термодинамика и електричество - предизвиква чувство на чудо днес.

Проблемът с охлаждането не беше толкова остър, колкото днес. Следователно ефектът на Пелтие беше разгледан едва след почти два века, когато се появиха електронни устройства, за функционирането на които бяха необходими миниатюрни системи за охлаждане. достойнство Пелетни охлаждащи елементи са малки размери, отсъствие на подвижни части, възможност за каскадни връзки за получаване на големи температурни разлики.

В допълнение, ефектът на Пелтие е обратим: когато полярността на тока през модула се промени, охлаждането се заменя с отопление, така че е лесно да се внедрят системи за точно поддържане на температурата - термостати, Недостатъкът на елементите (модулите) на Peltier е ниската ефективност, която изисква сумиране на големи стойности на тока, за да се получи забележима разлика в температурата. Сложността е представена чрез отстраняване на топлина от плочата, противоположна на охладената равнина.

Но първо първо. Първо, нека се опитаме да разгледаме физическите процеси, отговорни за наблюдаваното явление. Без да се потопим в бездната на математическите изчисления, просто ще се опитаме да разберем естеството на това интересно физическо явление на „пръстите“.

Тъй като говорим за температурни явления, физиците, за удобство на математическо описание, заменят вибрациите на атомната решетка на даден материал с определен газ, състоящ се от частици - фонони.

Температурата на фононовия газ зависи от околната температура и свойствата на метала. Тогава всеки метал е смес от електрон и фононови газове в термодинамично равновесие.Когато два различни метала влизат в контакт при липса на външно поле, „по-горещ“ електронен газ навлиза в зоната на „по-студеното“, създавайки разлика на потенциал за контакт, известна на всички.

При прилагане на потенциалната разлика към прехода, т.е. докато токът тече през границата на два метала, електроните поемат енергия от фононите на един метал и го прехвърлят към фононния газ на друг. С промяна в полярността, прехвърлянето на енергия, което означава, че нагряването и охлаждането променят знака.

В полупроводниците електроните и „дупките“ са отговорни за пренос на енергия, но механизмът на топлопредаване и появата на температурна разлика се запазват. Разликата в температурата се увеличава до изчерпване на високоенергийните електрони. Температурното равновесие се настройва. Това е съвременната картина на описанието Ефект на Пелтие.

От него става ясно, че Изпълнение на елементи на Peltier зависи от избора на чифт материали, силата на тока и скоростта на отвеждане на топлината от горещата зона. При съвременните материали (обикновено полупроводници) ефективността е 5-8%.

А сега за практическото приложение на ефекта Пелтие. За да го увеличите, отделните термодвойки (съединения от два различни материала) се сглобяват в групи, състоящи се от десетки и стотици елементи. Основната цел на такива модули е охлаждането на малки обекти или микросхеми.

Термоелектрически охлаждащ модул

Модулите, базирани на ефекта на Peltier, се използват широко в устройства за нощно виждане с матрица от инфрачервени приемници.Микросхемите, свързани с заряда (CCD), които се използват и днес в цифровите камери, изискват дълбоко охлаждане за запис на изображения в инфрачервения регион. Peltier модулите охлаждат инфрачервените детектори в телескопите, активни лазерни елементи за стабилизиране на честотата на излъчване, кристални осцилатори в точни времеви системи. Но това са все военни и специални приложения.

Напоследък модулите на Peltier намериха приложение в домакинските продукти. Основно в автомобилната технология: климатици, преносими хладилници, водни охладители.

Пример за практическото използване на ефекта Пелтие

Най-интересното и обещаващо приложение на модулите е компютърната технология. Високопроизводителните микропроцесори, процесори и чипове за видеокарти отделят много топлина. За охлаждането им се използват високоскоростни вентилатори, които създават значителен звуков шум. Използването на Peltier модули като част от комбинираните системи за охлаждане елиминира шума със значително отделяне на топлина.

компактен USBохладител с помощта на Peltier модули

И накрая, логичен въпрос: дали модулите на Peltier ще заменят конвенционалните системи за охлаждане в компресионни хладилници за бита? Днес това е нерентабилно по отношение на ефективност (ниска ефективност) и цена. Цената на мощните модули все още е доста висока.

Но технологията и материалознанието не стоят неподвижни. Невъзможно е да се изключи възможността за появата на нови, по-евтини материали с висока ефективност и висок коефициент на Пелтие. Вече днес има доклади от изследователски лаборатории за невероятните свойства на нановъглеродните материали, които могат коренно да променят ситуацията с ефективни охлаждащи системи.

Имаше съобщения за висока термоелектрична стойност на достойнствата на кластратите - твърди разтвори, подобни по структура на хидрати. Когато тези материали излязат от изследователски лаборатории, напълно безшумните охладители с неограничен експлоатационен живот ще заменят нашите обичайни домашни модели.

Послепис единох от най-много интересен функции термоелектрическа технология е това тя е мога не само да се използва електрическа енергия за да получите топлина и студ, но също така благодарение на нея WMSно започнете обратния процес и например вземете електрическа енергия от топлината.  

Пример как можете получите електричество от топлината с използвайки термоелектрически модул (термоелектрически генератор) погледни това видео:

Какво мислите за това? Чакам вашите коментари!