Peltiereffekt

Peltiereffekt - en proces, ledsaget af fremkomsten af ​​en temperaturforskel på de to forskellige materialer ved at sende elektrisk strøm gennem dem. For første gang forklaret af akademiker og opfinder Lenz.

tak

Vi kan ikke ignorere taknemmelighed USSR Academy of Sciences og akademiker AF Joffe for det store arbejde på udviklingen af ​​thermoelectricity i USSR og bringe forskningsresultater til offentligheden.

Anvendelsesområde

Peltiereffekt anvendes til køling, opvarmning kan nogen vejledning gennem Joule-Lenz. Derfor er fænomenet nyttige:

1. For at oprette en lav spænding DC og køleskabe. Med mulighed for at opvarme strøm, når der skiftes polaritet. I vest, så konstrueret vej sandvichennitsy. Kulden holder produktet fra forkæle, omvendt polaritet gør det muligt at indsende produktet til bordet varmt.
2. Kølere processorer yde et væsentligt bidrag til den samlede støj systemets ydeevne enhed. Hvis du erstatte dem med Peltier-elementer, til tider fuldstændig mangel på ventilatoren. Han rasler ikke så meget kroppen er frataget en kraftig radiator og fastsættelse pålidelig (i modsætning til bundkortet materiale).
   instagram viewer

Udviklingen af ​​teorien om køling

Peltier effekten er ikke tiltrukket opmærksomhed fra forskere, virkede det nytteløst. Åbnede i 1834, samler støv på akademiske biblioteker mere end et århundrede, før hylderne, frem for stål at være de første betydelige tekniske løsninger på dette område. For eksempel Altenkirch (1911) erklærede manglende evne til at anvende de Peltier effekt køleanlæg, i beregningen var baseret på anvendelsen af ​​rene metaller, legeringer og halvledere stedet.

Den fejlslutning af konklusionerne fra den tyske videnskabsmand senere bekræftet, hvad stor rolle for laboratoriet af Academy of Sciences i halvledere. I 1950, det etablerede sammenhængende teori, hvilket er tilladt for et yderligere antal år at skabe den første elektrotermiske køleskab. Med et relativt lille effektivitet på 20% sænker temperaturen af ​​enheden ved 24 grader, hvilket i de fleste tilfælde tilstrækkeligt til husholdningsbrug. År senere, temperaturforskellen var allerede 60 grader.

I fysik 50s Peltier-element blev betragtet som køleren med Freon stedet for elektrongas. Det udføres i overensstemmelse med dette system overvejelse. Den vigtigste parameter - køling effektivitet, forholdet mellem den mængde varme per tidsenhed i indtaget til den kraft, der er brugt på. Moderne freon klimaanlæg og køleskabe tal er større end én. I 50-erne af Peltier element var knap 20%.

Effekten fra synspunktet om termodynamik

Peltier virkning er beskrevet ved at vise, hvor meget energi overføres ved en bestemt værdi af den elektriske strøm. Udtrykke det i tidsenheder er magt udstyr, som bestemmes baseret på behovene i køleskabet. I dag populære lydløse elementer Peltier kølere til processorer. En lille krystal plade afkøler og afkøler køleren køler. Peltier-element tjener som en varmepumpe, varmen fra afladning garanteret CPU, forhindrer overophedning.

I formlen i figuren er betegnet med a-koefficienter termo emf halvdele (bestanddele) af elementet. T - driftstemperatur i grader Kelvin. Hvert element er typisk til stede side-Thomson effekt, hvis strømmen, der løber gennem lederen, og langs linje har en gradient (retningsbestemt forskel) temperaturer vil være et supplement til Joule, stå og andre varme. Sidstnævnte er opkaldt efter Thomson. I nogle dele af energikæden vil blive absorberet. Derfor Thomson effekten har en stærk indflydelse på driften af ​​varmeapparater og køleskabe. Men det er, som allerede nævnt, side, forsvundet faktor.

Varmen overføres af Thomson-effekten, temperaturforskellen er direkte proportional med lederenderne og afhænger af den strømmende strøm. Fænomenet forekommer kun i stoffer med en udtalt afhængighed af den termiske emf af temperaturen. I nogle beregninger Thomson effekt anses for at være nul, det er tæt på sandheden. Den termodynamiske teori om processen med tilbagevenden og udvælgelse af varme betragtes ud fra et synspunkt af to varmestrømninger:

• Varmefluxen, en afkøling picks junction, efterfulgt af to parallelle nå processer:

1. Parasitisk varme ved Joule-Lenz. I termodynamikken, tages det som halvdelen af ​​produktet af kvadratet af strøm til modstanden. Den anden halvdel falder til den varme side.
2. Opvarmning af varmestrømmen kommer fra en varm del. Er lig med temperaturforskellen, multiplicere med den samlede varmeledningsevne termoelementet grene.

• I den varme side er reverse processer i andet trin (varme ført bort til den afkølede del) og lignende til den første - Joule der frigives varme.

Fra den formulering indebærer, at en effektiv løsning til at maksimere effektiviteten af ​​isoleringen vil være mellem knudepunkter. Parret anvendes halvledere, der kan skabe en termisk elektromotorisk kraft, elektrisk strøm skal overvinde hendes modstand. Forbrugt energi er proportional med temperaturforskellen og forskel i termiske emf stoffer koefficienter og afhænger af den strømmende strøm. Er grafer af kurverne, og differentiere dem for at finde ekstremerne kan modtage betingelser for maksimal temperaturforskel (mellem et værelse og køleskab).

Tallene viser resultaterne af at tage differentialkvotienten operation, hvor beregnet optimale strømme til modstanden R og termoelementet grænse stigning køle effekt. Ud fra disse formler følger det, at den ideelle maskine vil ske, hvis:

• Konduktiviteten af ​​samme termoelement materiale.
• Den termiske ledningsevne af den samme termoelement materiale.
• De termiske elektromotorisk kraft lige, men modsat fortegn.
• Tværsnittene og længder af grene af den samme termoelement.

For at realisere disse betingelser i praksis vanskeligt. I dette tilfælde er den begrænsende faktor er forholdet mellem kølemiddeltemperaturen af ​​den kolde side til en temperaturforskel. Recall, dette er den perfekte beskrivelse af maskinen, i virkeligheden, men uopnåelige.

Sådan optimerer chiller Peltier

Tallene er grafer variabler, der påvirker effektiviteten af ​​Peltier-elementerne. For det første er det indlysende - den termo-emk koefficient tendens til nul med stigende bærerkoncentration. Det minder om, at metallerne ikke er betragtet som den bedste materiale til at frembringe et termoelement. Varmeledningsevne, tværtimod, øger. I termodynamikken, antages det, at det er sammensat af to komponenter:

1. krystalgitter varmeledningsevne.
2. Elektronisk varmeledningsevne. Komponenten af ​​indlysende årsager er uafhængige af koncentrationen af ​​frie ladningsbærere og forårsager vækstkurven præsenteret på grafen. Varmeledningsevnen af ​​krystalgitteret forbliver praktisk taget konstant.

Forskere er interesseret i produktet af kvadratet af den termiske EMF på den elektriske ledningsevne. Nævnte værdi er placeret i tælleren i udtrykket for ydeevnekoefficienten. Ifølge ekstremum observeret ved en koncentration af frie bærere i området fra 10 til 19 graders enheder per kubikcentimeter. Det er tre størrelsesordener mindre end den observeret i de rene metaller, hvorfra umiddelbart følger den konklusion, at det ideelle materiale til halvledere vil Peltier-elementer.

Andelen af ​​den anden komponent har en relativt lav ned på abscissen, og tilladt at tage materialet i dette interval. Den elektriske ledningsevne af isolatorer er for lille, hvilket forklarer den manglende mulighed for deres anvendelse i denne sammenhæng. Alt dette gør det muligt at etablere grunden resultaterne ikke bliver taget alvorligt Altenkirchen.

Quantum teori anvendt på Peltier-element

Termodynamik tillader ikke en præcis beregning, men kvalitativt beskriver materialevalget fremgangsmåde til Peltier-elementerne. For at afhjælpe situationen, fysikerne kalder på kvanteteorien. Den opererer med de samme værdier, udtrykt som koncentrationen af ​​frie ladningsbærere, det kemiske potential, Boltzmanns konstant. Sådanne teorier er lavet kaldes også kinetisk (eller mikroskopisk), fordi det betragtes som illusorisk og ukendt verden af ​​små partikler. Blandt de tegn er fundet:

1. l - betyde fri bane for de ladningsbærere. Det afhænger af temperaturen. Resultatet bestemmes af eksponenten af ​​elektron spredning mekanisme r (for atomare gitre er 0; ioniske og temperaturer under Debye - 0,5; ovenfor Debye - 1; når spredning af urenhedsioner - 2).
2. f - Fermi fordelingsfunktion (energi niveauer).
3. x - den reducerede kinetiske energi ladningsbærere.

Integraler af Fermi funktioner er angivet i tabellen, deres beregning er ikke svært. De ligninger af mikroskopiske teori om beslutning med hensyn til den termo-EMF koefficient og elektrisk ledningsevne, hvilket giver dig mulighed for at finde den koefficient på ydeevne. Disse komplekse operationer udført af BI Sidelæns, der fastslået, at den optimale værdi af Seebeck-koefficienten er i området mellem 150 og 400 mV / K, men afhænger af graden af ​​spredning mekanisme. Ved første øjekast er det klart, at værdierne for metallerne ikke overholdes. Som et resultat, en gruppe af fysikere ledet af Joffe vist, at det bedste materiale til termoelementer skal opfylde en række betingelser:

1. Det maksimale forhold mellem mobilitet til varmeledningskoefficient af krystalgitteret.
2. Koncentrationen Bæreren ifølge den i figuren viste formel.

VP Zhuze angiver hvilke stoffer udviser den ønskede mobilitet. Deres krystalstruktur er midtvejs mellem atomare og metal. Indførelsen af ​​urenheder i materialet reducerer altid mobilitet. Dette forklarer den omstændighed, at termo-emk koefficient på legeringer er højere end for rene materialer. Men stigningen i urenheden r. Det ideelle materiale ikke findes i naturen, skal thermo-emf koefficient opretholde en konstant værdi på 172 mV / K. Det kræves, at koncentrationen varierer som indikeret i figuren (se. ifølge krav. 2).

Halvledere mulighed for at vælge forskellige materialer, hvor bæreren koncentrationen er temperaturafhængig, og se efter dem, hvis forskellen næsten nul. På grund af kombinationen af ​​disse kvaliteter kan forsøge at finde den nærmeste til det ideelle materiale.

konstruktion af køleskabe

At øge Peltier-effekten elementer kombineres i parallel. Men deres magt fold. For at konstruere deres egne køleskabe skal være opmærksomme på beregning af varmetab gennem den plane struktur. Specialpris regnemaskiner, mange er tilgængelige online.

Er engageret i at designe tilfældig ufordelagtige for indlysende grunde. Og den gode nyhed er, at Peltier-elementerne er betydeligt billigere i de seneste år. Ali-express købe produkter fra Kina 60 watt for 300 rubler. Ikke svært at se, at i løbet af 3000 kan samles køleskab. Og hvad det ville holde temperaturen afhænger af design, der kræver beregning.