Módulo termoelétrico Peltier - dispositivo, princípio de operação, características

O fenômeno do surgimento de termo-EMF foi descoberto pelo físico alemão Thomas Johann Seebeck em 1821. E esse fenômeno consiste no fato de que em um circuito elétrico fechado constituído por condutores heterogêneos conectados em série, desde que seus contatos estejam em temperaturas diferentes, ocorre um EMF.

Esse efeito, nomeado após seu descobridor, o efeito Seebeck, agora é simplesmente chamado efeito termoelétrico.

Se o circuito consiste em apenas um par de condutores diferentes, esse circuito é chamado termopar. Numa primeira aproximação, pode-se argumentar que a magnitude do termoemf depende apenas do material dos condutores e das temperaturas dos contatos frios e quentes. Assim, em uma pequena faixa de temperatura, o termo-EMF é proporcional à diferença de temperatura entre contatos frios e quentes, e o coeficiente de proporcionalidade na fórmula é chamado de coeficiente termo-EMF.

Assim, por exemplo, a uma diferença de temperatura de 100 ° C, a uma temperatura de contato frio de 0 ° C, um par de cobre-constantan possui um termo-EMF de 4,25 mV.

Enquanto isso O efeito termoelétrico é baseado em três componentes:

O primeiro fator é a diferença de substâncias diferentes na dependência da energia média dos elétrons na temperatura. Como resultado, se a temperatura do condutor em uma extremidade for mais alta, os elétrons adquirem velocidades mais altas do que os elétrons na extremidade fria do condutor.

A propósito, a concentração de elétrons de condução também aumenta em semicondutores com aquecimento. Os elétrons correm para a extremidade fria a alta velocidade, e uma carga negativa se acumula nela, e uma carga positiva não compensada é obtida na extremidade quente. Portanto, há um componente do termo-EMF, chamado EMF volumétrico.

O segundo fator é que, para diferentes substâncias, a diferença de potencial de contato depende da temperatura de maneira diferente. Isto é devido à diferença na energia Fermi de cada um dos condutores colocados em contato. A diferença de potencial de contato que surge neste caso é proporcional à diferença de energia Fermi.

Um campo elétrico é obtido em uma fina camada de contato, e a diferença de potencial em cada lado (para cada um dos condutores colocados em contato) será a mesma e, quando o circuito for circulado em um circuito fechado, o campo elétrico resultante será zero.

Mas se a temperatura de um dos condutores diferir da temperatura do outro, então devido à dependência da energia de Fermi na temperatura, a diferença de potencial também mudará. Como resultado, haverá o contato EMF - o segundo componente do termo-EMF.

O terceiro fator é o aumento do fônon na EMF. Desde que exista um gradiente de temperatura no sólido, o número de fonons (fonon - o quantum de movimento vibracional dos átomos de cristal) que se deslocam na direção do extremo quente para o frio prevalecerá, resultando em que, juntamente com os fonões, um grande número de elétrons será transportado para o extremo frio , e uma carga negativa será acumulada até que o processo chegue ao equilíbrio.

Isso fornece o terceiro componente do termo-EMF, que a baixas temperaturas pode ser centenas de vezes maior que os dois componentes mencionados acima.

Em 1834, o físico francês Jean Charles Peltier descobriu o efeito oposto. Ele descobriu que quando uma corrente elétrica passa através de uma junção de dois condutores diferentes, o calor é liberado ou absorvido.

A quantidade de calor absorvido ou liberado está associada ao tipo de substâncias soldadas, bem como à direção e magnitude da corrente elétrica que flui através da junção.O coeficiente de Peltier na fórmula é numericamente igual ao coeficiente de termo-EMF multiplicado pela temperatura absoluta. Esse fenômeno agora é conhecido como efeito peltier.

Em 1838, o físico russo Emiliy Khristianovich Lenz entendeu a essência do efeito Peltier. Ele testou experimentalmente o efeito Peltier colocando uma gota de água na junção de amostras de antimônio e bismuto. Quando Lenz passou uma corrente elétrica pelo circuito, a água se transformou em gelo, mas quando o cientista inverteu a direção da corrente, o gelo derreteu rapidamente.

O cientista estabeleceu de tal maneira que, quando a corrente flui, não apenas o calor de Joule era liberado, mas também a absorção ou liberação de calor adicional. Esse calor adicional foi chamado de calor Peltier.

A base física do efeito Peltier é a seguinte. O campo de contato na junção de duas substâncias, criado pela diferença de potencial de contato, impede a passagem de corrente pelo circuito ou contribui para ele.

Se a corrente é passada contra o campo, é necessário o trabalho da fonte, que deve gastar energia em superar o campo de contato, como resultado do qual a junção é aquecida. Se a corrente é direcionada para que o campo de contato a suporte, então o campo de contato faz o trabalho e a energia é retirada da própria substância e não consumida pela fonte atual. Como resultado, a substância na junção é resfriada.

O efeito Peltier mais expressivo em semicondutores, devido ao qual os módulos Peltier ou conversores termoelétricos.

No coração de Elemento Peltier dois semicondutores em contato um com o outro. Esses semicondutores são diferenciados pela energia dos elétrons na banda de condução; portanto, quando uma corrente flui através do ponto de contato, os elétrons são forçados a adquirir energia para poder transferir para outra banda de condução.

Assim, ao passar para uma banda de condução de energia mais alta de outro semicondutor, os elétrons absorvem energia, resfriando o local de transição. Na direção oposta à corrente, os elétrons emitem energia e o aquecimento ocorre além do calor de Joule.

O módulo de semicondutores Peltier consiste em vários pares semicondutores tipo p e nem forma de pequenos paralelepípedos. Normalmente, o telureto de bismuto e uma solução sólida de silício e germânio são usados ​​como semicondutores. Paralelepípedos semicondutores são interconectados em pares por jumpers de cobre. Esses jumpers servem como contatos para troca de calor com placas de cerâmica.

Os jumpers estão localizados de modo que, de um lado do módulo, existam apenas jumpers que fornecem uma transição n-p e, por outro lado, apenas jumpers que fornecem uma transição p-n. Como resultado, quando uma corrente é aplicada, um lado do módulo aquece, o outro esfria e, se a polaridade da fonte for revertida, os lados de aquecimento e resfriamento mudarão de lugar de acordo. Assim, com a passagem da corrente, o calor é transferido de um lado do módulo para o outro e ocorre uma diferença de temperatura.

Se agora um lado do módulo Peltier é aquecido e o outro é resfriado, a therememf aparecerá no circuito, ou seja, o efeito Seebeck será realizado. Obviamente, o efeito Seebeck (efeito termoelétrico) e o efeito Peltier são dois lados da mesma moeda.

Hoje você pode comprar facilmente os módulos Peltier a um preço relativamente acessível. Os módulos Perrier mais populares são do tipo TEC1-12706, contendo 127 termopares, e projetados para fornecimento de 12 volts.

Com um consumo máximo de 6 amperes, é possível obter uma diferença de temperatura de 60 ° C, enquanto a faixa de temperatura operacional segura declarada pelo fabricante é de -30 ° C a + 70 ° C. O tamanho do módulo é 40 mm x 40 mm x 4 mm. O módulo pode funcionar tanto no modo de refrigeração-aquecimento quanto modo de geração.

Existem módulos Peltier mais poderosos, por exemplo, TEC1-12715, classificados em 165 watts. Quando alimentado por uma tensão de 0 a 15,2 volts, com uma força de corrente de 0 a 15 amperes, este módulo é capaz de desenvolver uma diferença de temperatura de 70 graus.O tamanho do módulo também é de 40 mm x 40 mm x 4 mm; no entanto, a faixa de temperaturas de trabalho seguras é maior - de -40 ° C a + 90 ° C.

A tabela abaixo mostra os dados dos módulos Peltier que estão amplamente disponíveis no mercado hoje:

Dados sobre módulos Pelt