Efekt Peltiera: magiczny efekt prądu elektrycznego

Początek XIX wieku. Złoty wiek fizyki i elektrotechniki. W 1834 roku francuski zegarmistrz i przyrodnik Jean-Charles Peltier umieścił kroplę wody między elektrodami bizmutu i antymonu, a następnie przepuścił prąd elektryczny przez obwód. Ku jego zdumieniu zobaczył, że kropla nagle zamarzła.

Efekt termiczny prądu elektrycznego na przewodniki był znany, ale efekt odwrotny był podobny do magii. Możesz zrozumieć uczucia Peltiera: to zjawisko na styku dwóch różnych obszarów fizyki - termodynamiki i elektryczności, powoduje dzisiaj zdumienie.

Problem chłodzenia nie był tak ostry jak dzisiaj. Dlatego efekt Peltiera został rozwiązany dopiero po prawie dwóch wiekach, kiedy pojawiły się urządzenia elektroniczne, do których działania potrzebne były miniaturowe systemy chłodzenia. Cnota Elementy chłodzące Peltiera są małe wymiary, brak ruchomych części, możliwość połączenia kaskadowego w celu uzyskania dużych różnic temperatur.

Ponadto efekt Peltiera jest odwracalny: gdy zmienia się polaryzacja prądu przez moduł, chłodzenie zastępuje się ogrzewaniem, więc łatwo jest wdrożyć systemy dokładnego utrzymania temperatury - termostaty. Wadą elementów (modułów) Peltiera jest niska wydajność, która wymaga zsumowania dużych wartości prądu w celu uzyskania zauważalnej różnicy temperatur. Złożoność jest reprezentowana przez usuwanie ciepła z płyty przeciwnej do chłodzonej płaszczyzny.

Ale przede wszystkim. Najpierw spróbujmy rozważyć fizyczne procesy odpowiedzialne za obserwowane zjawisko. Bez pogrążania się w otchłani obliczeń matematycznych postaramy się po prostu zrozumieć naturę tego interesującego zjawiska fizycznego na „palcach”.

Ponieważ mówimy o zjawiskach temperaturowych, fizycy dla wygody opisu matematycznego zamieniają wibracje siatki atomowej materiału na pewien gaz składający się jakby z cząsteczek - fononów.

Temperatura gazu fononowego zależy od temperatury otoczenia i właściwości metalu. Wówczas dowolny metal jest mieszaniną gazów elektronowych i fononowych w równowadze termodynamicznej. Kiedy dwa różne metale stykają się pod nieobecność pola zewnętrznego, „gorętszy” gaz elektronowy przenika do strefy „zimniejszej”, tworząc różnicę potencjału kontaktowego znaną wszystkim.

Przy zastosowaniu różnicy potencjałów do przejścia, tj. gdy prąd przepływa przez granicę dwóch metali, elektrony pobierają energię z fononów jednego metalu i przenoszą ją do gazu fononowego innego. Wraz ze zmianą polaryzacji, transfer energii, co oznacza, że ​​ogrzewanie i chłodzenie, zmieniają znak.

W półprzewodnikach elektrony i „dziury” są odpowiedzialne za transfer energii, ale mechanizm transferu ciepła i pojawienie się różnicy temperatur jest zachowany. Różnica temperatur rośnie do momentu wyczerpania elektronów o wysokiej energii. Ustawia się równowaga temperaturowa. To jest nowoczesny obraz opisu Efekt Peltiera.

Wynika z tego jasno Wydajność elementu Peltiera zależy od wyboru pary materiałów, aktualnej siły i prędkości usuwania ciepła z gorącej strefy. W przypadku nowoczesnych materiałów (zwykle półprzewodników) wydajność wynosi 5-8%.

A teraz o praktycznym zastosowaniu efektu Peltiera. Aby go zwiększyć, poszczególne termopary (połączenia dwóch różnych materiałów) są składane w grupy składające się z dziesiątek i setek elementów. Głównym celem takich modułów jest chłodzenie małych obiektów lub mikroukładów.

Termoelektryczny moduł chłodzący

Moduły oparte na efekcie Peltiera są szeroko stosowane w urządzeniach noktowizyjnych z matrycą odbiorników podczerwieni.Mikroukłady sprzężone z ładunkiem (CCD), które są dziś również stosowane w aparatach cyfrowych, wymagają głębokiego chłodzenia, aby rejestrować obrazy w regionie podczerwieni. Moduły Peltiera chłodzą detektory podczerwieni w teleskopach, aktywne elementy laserowe stabilizujące częstotliwość promieniowania, oscylatory kwarcowe w dokładnych systemach czasowych. Ale to są wszystkie zastosowania wojskowe i specjalne.

Ostatnio moduły Peltiera znalazły zastosowanie w produktach gospodarstwa domowego. Głównie w technologii motoryzacyjnej: klimatyzatory, przenośne lodówki, chłodnice wodne.

Przykład praktycznego zastosowania efektu Peltiera

Najciekawszym i najbardziej obiecującym zastosowaniem modułów jest technologia komputerowa. Wysokowydajne mikroprocesory, procesory i układy kart graficznych emitują dużo ciepła. Do ich chłodzenia stosuje się szybkie wentylatory, które wytwarzają znaczny hałas akustyczny. Zastosowanie modułów Peltiera jako części połączonych systemów chłodzenia eliminuje hałas przy znacznym usuwaniu ciepła.

Kompaktowy USBchłodnica za pomocą modułów Peltiera

I wreszcie logiczne pytanie: czy moduły Peltiera zastąpią konwencjonalne systemy chłodzenia w domowych lodówkach kompresyjnych? Dzisiaj jest nieopłacalna pod względem wydajności (niska wydajność) i ceny. Koszt wydajnych modułów jest wciąż dość wysoki.

Ale technologia i materiałoznawstwo nie stoją w miejscu. Nie można wykluczyć możliwości pojawienia się nowych, tańszych materiałów o wysokiej wydajności i wysokim współczynniku Peltiera. Już dziś pojawiają się doniesienia z laboratoriów badawczych o niesamowitych właściwościach materiałów nanowęglowych, które mogą radykalnie zmienić sytuację dzięki wydajnym systemom chłodzenia.

Pojawiły się doniesienia o wysokiej wartości termoelektrycznej zalet klastratów - roztworów stałych podobnych w strukturze do hydratów. Gdy materiały te opuszczą laboratoria badawcze, całkowicie ciche chłodziarki o nieograniczonej żywotności zastąpią nasze zwykłe modele domowe.

P.S. Jedenoch z najbardziej ciekawe cechy technologia termoelektryczna to jest to ona jest może nie tylko używać energia elektryczna na ciepło i zimno, ale także dzięki niej możeale rozpocznij proces odwrotny i, na przykład, uzyskaj energię elektryczną z ciepła.  

Przykład jak możesz uzyskać prąd z ciepła z za pomocą modułu termoelektrycznego (generator termoelektryczny) spójrz na to wideo:

Co o tym sądzisz? Czekam na wasze komentarze!