โมดูลเทอร์โมอิเล็กตริก Peltier - อุปกรณ์หลักการทำงานลักษณะ

ปรากฏการณ์การเกิดขึ้นของ thermo-EMF ถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Thomas Johann Seebeck ย้อนกลับไปในปี 1821 และปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นในความจริงที่ว่าในวงจรไฟฟ้าแบบปิดซึ่งประกอบด้วยตัวนำที่ต่างกันซึ่งเชื่อมต่อแบบอนุกรมโดยที่หน้าสัมผัสของพวกเขาอยู่ที่อุณหภูมิแตกต่างกัน EMF ก็เกิดขึ้น

เอฟเฟกต์นี้ตั้งชื่อตามผู้ค้นพบเอฟเฟกต์ Seebeck ปัจจุบันถูกเรียกใช้อย่างง่ายดาย ผลเทอร์โม.

หากวงจรนั้นประกอบด้วยตัวนำตัวนำที่แตกต่างกันเพียงคู่เดียวก็จะเรียกว่าวงจรดังกล่าว thermocouple. ในการประมาณครั้งแรกมันสามารถเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าขนาดของเทอร์โม - emf นั้นขึ้นอยู่กับวัสดุของตัวนำและอุณหภูมิของหน้าสัมผัสที่เย็นและร้อน ดังนั้นในช่วงอุณหภูมิขนาดเล็กเทอร์โม - อีเอ็มเอฟจึงเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหน้าสัมผัสเย็นและร้อนและค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนในสูตรเรียกว่าสัมประสิทธิ์เทอร์โม - EMF

ตัวอย่างเช่นที่อุณหภูมิแตกต่างกันที่ 100 ° C ที่อุณหภูมิสัมผัสเย็นที่ 0 ° C คู่ของทองแดงคงที่มี thermo-EMF 4.25 mV

ในขณะเดียวกัน ผลของเทอร์โมอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับสามองค์ประกอบ:

ปัจจัยแรกคือความแตกต่างในสารที่แตกต่างกันในการพึ่งพาพลังงานอิเล็กตรอนโดยเฉลี่ยต่ออุณหภูมิ ดังนั้นถ้าอุณหภูมิของตัวนำที่ปลายด้านหนึ่งสูงกว่าอิเล็กตรอนจะได้รับความเร็วที่สูงกว่าอิเล็กตรอนที่ปลายเย็นของตัวนำ

โดยวิธีการที่ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนนำยังเพิ่มขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์ด้วยความร้อน อิเล็กตรอนวิ่งไปที่ปลายเย็นด้วยความเร็วสูงและประจุลบสะสมที่นั่นและประจุบวกที่ไม่ได้รับการชดเชยจะถูกรับที่ปลายร้อน ดังนั้นจึงมีส่วนประกอบของ thermo-EMF เรียกว่า volumetric EMF

ปัจจัยที่สองคือสารที่แตกต่างกันความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นจากการสัมผัสนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่แตกต่างกัน นี่เป็นเพราะความแตกต่างของพลังงาน Fermi ของตัวนำแต่ละตัวที่สัมผัสกัน ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นที่ติดต่อที่เกิดขึ้นในกรณีนี้เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของพลังงาน Fermi

สนามไฟฟ้าจะได้รับในชั้นสัมผัสที่บางและความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นในแต่ละด้าน (สำหรับตัวนำที่นำเข้ามาสัมผัส) จะเหมือนกันและเมื่อวงจรถูกล้อมรอบในวงจรปิดสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะเป็นศูนย์

แต่ถ้าอุณหภูมิของตัวนำตัวหนึ่งแตกต่างจากอุณหภูมิของอีกตัวหนึ่งแล้วเนื่องจากการขึ้นอยู่กับพลังงานของ Fermi ที่มีต่ออุณหภูมิความต่างศักย์อาจเปลี่ยนแปลงได้เช่นกัน เป็นผลให้จะมีการติดต่อ EMF - องค์ประกอบที่สองของ thermo-EMF

ปัจจัยที่สามคือการเพิ่มหน่วยความจำในหน่วยเก็บเสียง. หากว่าในของแข็งมีการไล่ระดับอุณหภูมิจำนวนโฟนัน (โฟนัน - ควอนตัมของการเคลื่อนที่แบบสั่นของอะตอมคริสตัล) ที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางจากปลายร้อนถึงเย็นจะมีผลเหนือกว่า และประจุลบจะรวมอยู่ที่นั่นจนกว่ากระบวนการจะเข้าสู่สมดุล

สิ่งนี้ทำให้องค์ประกอบที่สามของ thermo-EMF ซึ่งที่อุณหภูมิต่ำสามารถสูงกว่าส่วนประกอบทั้งสองที่กล่าวถึงข้างต้นหลายร้อยเท่า

ในปี ค.ศ. 1834 ฌองชาร์ลส์พิลเทียร์นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ค้นพบสิ่งที่ตรงกันข้าม เขาพบว่าเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านทางแยกของตัวนำที่แตกต่างกันสองตัวความร้อนจะถูกปล่อยหรือดูดซับ

ปริมาณความร้อนที่ถูกดูดซับหรือปล่อยออกมานั้นสัมพันธ์กับชนิดของสารบัดกรีรวมถึงทิศทางและขนาดของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านทางแยกสัมประสิทธิ์ Peltier ในสูตรนั้นมีค่าเป็นตัวเลขเท่ากับสัมประสิทธิ์ของเทอร์โม - EMF คูณด้วยอุณหภูมิสัมบูรณ์ ปรากฏการณ์นี้เป็นที่รู้จักกันในขณะนี้ว่า ผล peltier.

ในปี 1838 Emiliy Khristianovich Lenz นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียเข้าใจถึงสาระสำคัญของผลกระทบของ Peltier เขาทดลองทดสอบเอฟเฟ็กต์ Peltier โดยวางหยดน้ำลงในรอยต่อของพลวงและตัวอย่างบิสมัท เมื่อ Lenz ผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านวงจรน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็ง แต่เมื่อนักวิทยาศาสตร์กลับทิศทางของกระแสน้ำแข็งก็ละลายอย่างรวดเร็ว

นักวิทยาศาสตร์ก่อตั้งขึ้นในลักษณะที่เมื่อกระแสไหลไม่เพียง แต่ปล่อยความร้อนของจูล แต่ยังดูดซับหรือปล่อยความร้อนเพิ่มเติมที่เกิดขึ้น ความร้อนเพิ่มเติมนี้เรียกว่าความร้อน Peltier

พื้นฐานทางกายภาพของผล Peltier มีดังนี้ เขตข้อมูลการติดต่อที่จุดเชื่อมต่อของสารสองชนิดที่สร้างขึ้นโดยความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นจากการสัมผัสอาจป้องกันการผ่านของกระแสไฟฟ้าผ่านวงจรหรือก่อให้เกิดมัน

หากกระแสไฟฟ้าถูกส่งผ่านสนามไฟฟ้าจำเป็นต้องมีการทำงานของแหล่งกำเนิดซึ่งควรใช้พลังงานในการเอาชนะสนามติดต่อซึ่งเป็นผลมาจากทางแยกถูกทำให้ร้อน หากกระแสไฟฟ้าถูกนำไปใช้เพื่อให้เขตข้อมูลสัมผัสรองรับมันเขตสัมผัสนั้นจะทำงานและพลังงานจะถูกนำออกไปจากสารเองและไม่ได้ถูกใช้โดยแหล่งกำเนิดในปัจจุบัน เป็นผลให้สารในชุมทางเย็นลง

ผล Peltier ที่แสดงออกได้ชัดเจนที่สุดในเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากโมดูล Peltier หรือ เครื่องแปลงความร้อน.

ที่เป็นหัวใจของ องค์ประกอบ Peltier สารกึ่งตัวนำสองตัวที่สัมผัสกัน เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้มีความโดดเด่นด้วยพลังงานของอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าดังนั้นเมื่อกระแสไหลผ่านจุดที่สัมผัสอิเล็กตรอนจะถูกบังคับให้รับพลังงานเพื่อให้สามารถถ่ายโอนไปยังแถบการนำไฟฟ้าอื่นได้

ดังนั้นเมื่อย้ายไปยังแถบการนำไฟฟ้าพลังงานสูงของเซมิคอนดักเตอร์อื่นอิเล็กตรอนจะดูดซับพลังงาน ในทิศทางตรงกันข้ามของกระแสอิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานออกมาและความร้อนจะเกิดขึ้นนอกเหนือจากความร้อนของจูล

โมดูลเซมิคอนดักเตอร์ Peltier ประกอบด้วยหลายคู่ เซมิคอนดักเตอร์ p และ n- ประเภทรูปร่างคล้ายขนานขนาดเล็ก โดยปกติบิสมัทเทลลูไรด์และสารละลายของแข็งของซิลิคอนและเจอร์เมเนียมจะถูกใช้เป็นสารกึ่งตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ขนานขนานมีการเชื่อมต่อเป็นคู่โดยจัมเปอร์ทองแดง จัมเปอร์เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นหน้าสัมผัสแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยแผ่นเซรามิก

จัมเปอร์ตั้งอยู่ที่ด้านหนึ่งของโมดูลมีเพียงจัมเปอร์ที่ให้การเปลี่ยน n-p และในทางกลับกันจัมเปอร์เท่านั้นที่ให้การเปลี่ยน p-n เป็นผลให้เมื่อมีการใช้กระแสไฟฟ้าด้านใดด้านหนึ่งของโมดูลจะร้อนขึ้นอีกด้านหนึ่งจะเย็นลงและหากกระแสของแหล่งจ่ายไฟถูกสลับด้านความร้อนและความเย็นจะเปลี่ยนสถานที่ตามลำดับ ดังนั้นเมื่อผ่านกระแสความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากด้านหนึ่งของโมดูลไปยังอีกด้านหนึ่งและเกิดความแตกต่างของอุณหภูมิ

ถ้าตอนนี้ด้านหนึ่งของโมดูล Peltier ได้รับความร้อนและอีกด้านหนึ่งเย็นแล้วเทอร์โม - เอ็มเอฟจะปรากฏขึ้นในวงจรนั่นคือผลกระทบที่เห็นได้ เห็นได้ชัดว่าเอฟเฟกต์ Seebeck (เทอร์โมอิเล็กตริก) และ Peltier เป็นสองด้านของเหรียญเดียวกัน

วันนี้คุณสามารถซื้อโมดูล Peltier ได้ง่ายในราคาที่ไม่แพง โมดูล Perrier ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือประเภท TEC1-12706 ซึ่งมีเทอร์โมคัปเปิล 127 ตัวและออกแบบมาสำหรับการจ่ายไฟ 12 โวลต์

ด้วยการบริโภคสูงสุด 6 แอมป์ความแตกต่างของอุณหภูมิ 60 ° C สามารถทำได้ในขณะที่ช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ปลอดภัยที่ประกาศโดยผู้ผลิตอยู่ที่ -30 ° C ถึง + 70 ° C ขนาดของโมดูลคือ 40 มม. x 40 มม. x 4 มม. โมดูลสามารถทำงานได้ทั้งในโหมดทำความเย็นและใน โหมดการสร้าง.

มีโมดูล Peltier ที่ทรงพลังกว่าตัวอย่างเช่น TEC1-12715 ได้รับการจัดอันดับที่ 165 วัตต์ เมื่อขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าจาก 0 ถึง 15.2 โวลต์ด้วยความแรงของกระแส 0 ถึง 15 แอมป์โมดูลนี้สามารถพัฒนาความแตกต่างของอุณหภูมิ 70 องศาขนาดของโมดูลยังเป็น 40 มม. x 40 มม. x 4 มม. อย่างไรก็ตามช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ปลอดภัยนั้นกว้างกว่า - จาก -40 ° C ถึง + 90 ° C

ตารางด้านล่างแสดงข้อมูลเกี่ยวกับโมดูล Peltier ที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบัน:

ข้อมูลเกี่ยวกับโมดูล Pelt