Peltier Element

Et Peltier-element er en elektrisk enhed, der under påvirkning af en elektrisk strøm genererer en temperaturforskel på arbejdspladser. Handlingsprincippet er Seebecks modsatte virkning. Det er bemærkelsesværdigt, at det accepteres at kalde termoelementets forbindelsesterminaler, såvel som den virkelige samling af metaller i sensorens følsomme sted. Du må ikke vildledes, endene er normalt forbundet med målekredsløbet og må ikke røre ved.

Effekter af termoelektricitet

21 juli 1820 betragtes som et vendepunkt i udviklingen af ​​historien: Oersted besluttede at offentliggøre sine observationer om effekten af ​​den nuværende bærende tråd på orienteringen af ​​den magnetiske nål i rummet. Yderligere opdagelser følger en rækkefølger, vi er interesserede i opfindelsen af ​​det første galvanometer. Producenten Schweigger kaldte enheden en multiplikator for sin evne til at formere resultatet af virkningen af ​​flere omdrejninger af ledningsbærende strøm på en magnetisk nål. På grund af dette, et år senere( 1821), opdagede en fysiker af estisk oprindelse, Seebeck, termoelektricitet. Det er velkendt, at hvad der skete, skete fem år senere til George Ohm for at opnå en verdensberømt lov.

Litteraturen siger, at Seebeck brugte en magnetventil med mange omdrejninger af ledning og en magnetisk nål som detektor. Historien er tavs, da bismuth-antimon-spidsen ramte forskeren, men det fortæller, at forskeren forbandt tandemet som en strømkilde og så kompassoscillationerne konstant, da han tog termoelementet i sine hænder. Det var sandsynligvis tæt på opdagelsen af ​​sine egne supernormale evner, men som følge heraf konkluderede han, at hans hendes varme var skylden. Store resultater, forskeren har opnået ved at bruge en belysningslygte som varmekilde.

Seebeck misfortolkede resultatet af forsøget, kaldte opdagelsesmagnetisk polarisation: Skiftning af opvarmningspunktet til den anden ende ændrede retningen af ​​pilens afbøjning. Som følge heraf blev den forkerte teori bygget. De begyndte at hævde, at temperatur gør det muligt at opnå direkte magnetiske egenskaber, og jordens felt skyldes vulkanernes aktivitet. Georg Ohm, der allerede kort efter den beskrevne beskrivelse anvendte termo-emf til at udlede en kendt lov, og i 1831 blev en lignende kilde anvendt i elektrolyseforsøg.

Termo-emf-værdien er lille. Normalt tiere mV.Hvis du vil finde en bestemt værdi, skal du bruge tabellerne. Platin er benchmark for temperaturer i Jordens klimaområde. Tabellerne indeholder værdien af ​​termoemf for termoelementer fra det specificerede metal og de undersøgte: kromel, aluminium, kobber, jern. Værdierne er positive og negative. For antimon er det for eksempel +4,7 mV og for vismut - minus 6,5.Værdierne supplerer og det bliver klart, at når temperaturforskellen i enden af ​​et par 100 grader EMF dannes ved 12,2 mV.Georg Om forsøgte at skabe lignende forhold ved at nedsænke den første ende i is og den anden i kogende vand.

Referencetabeller indeholder nogle gange mange værdier. For eksempel til forskellige temperaturer i trin på 100 grader. Så er det muligt at beregne værdierne for hver, men også med substitutionen af ​​nul for en af ​​de angivne temperaturer. Forskellen mellem den større og mindre værdi er taget. For individuelle termoelementer ved en bestemt temperatur ændres retningen af ​​termo-emf til det modsatte. For eksempel for kobber og jern vil grænsepunktet være 540 grader Celsius.

Peltier Effect

Peltier-effekten hedder spejlreflektion af termoelektricitet. I dette tilfælde varme de nuværende overførsler fra den første ende af termoelementet til den anden. Og med retningsændring og den opvarmede side vender modsat. Effekten blev opdaget i 1834, idet den blev fejlagtigt fortolket. Kun 4 år senere lykkedes det "landsmanden" Lenz at fryse og fordampe en dråbe vand ved hjælp af et termoelement. I hvert tilfælde viste strømmen sin egen retning.

Effekten er simpelthen forklaret i moderne fysik. Antag at der er to forskellige halvledere med samme ledningsevne. Elektronerne i hver erhverver en anden værdi af energi, og niveauerne i begge tilfælde er tætte. Forestil dig nu, at den elektriske strøm begyndte at overføre afgifter fra et medium til et andet. Hvad vil der ske? Elektroner med høj energi, der er i miljøet af lave niveauer, vil give et ekstra beløb til krystalgitteret, der producerer opvarmning. Tværtimod, hvis energien ikke er nok, vil den blive overført fra krystalgitteret, hvilket vil medføre afkøling af krydset.

Hvis konduktivitetstypen af ​​halvledere i et termoelement ikke er den samme, forklares effekten anderledes. En elektron, der kommer ind i p-materialet, træder i stedet for et hul( positiv ladningsbærer) på energiniveauet. Som følge heraf mister den bevægelses kinetiske energi og forskellen mellem den nuværende og den tidligere tilstand. Den frigivne mængde går til dannelsen af ​​frie bærere på begge sider af pn-forbindelsen. Resten rapporteres til krystalgitteret, hvorfra opvarmningen fortsætter. Hvis energien ved begyndelsestidspunktet er mindre, begynder afkøling af krydset. Rekombinationsmedier genopfyldes af strømkilden.

Mængden af ​​varme frigivet eller absorberet er proportional med ladningen, der passerer gennem lederen. Koefficienten i formlen for lineær afhængighed hedder Peltier. En lignende værdi indføres for termoelektricitet, navngivet efter Seebeck. Fra formlen følger det, at mængden af ​​frigivet varme i modsætning til Joule-Lenz-effekten er proportional med den første grad af elektrisk strøm( bestemmelse af overført ladning).

Thomson effekt

Baseret på Seebeck- og Peltier-koefficienterne, forudsagde Lord Kelvin( Thomson) en ny effekt i 1856: lederen opvarmet i midten afkøles på den ene side og passerer varmt på den anden. De teoretiske data bekræftes empirisk og åbner vejen for oprettelsen af ​​klimateknologi og andre ting.

Ideen om Lord Thomson: Hvis der er en temperaturgradient langs lederen( se Electric field), vil varmen begynde at strømme, når strømmen strømmer. Denne enhed fungerer efter princippet om varmepumpe. Den bæreevne er proportional med gradienten: Jo brattere temperaturgrafen ændrer sig langs lederlængden, desto større er den termiske effekt manifesteret.

Proportionalitetskoefficienten i formlen er opkaldt efter Thomson og er forbundet med termoelektricitet og Peltier-koefficienter. Ovenfor gav forfatterne forklaringer i henhold til den kinetiske( mikroskopiske) teori, der opererer med niveauer af energistatus for ladetransportører. Lord Kelvin fulgte det termodynamiske( makroskopiske) koncept, hvor der tages hensyn til globale strømme og kræfter. Denne sondring gælder for mange grene af fysik. For eksempel kan Ohms lov for en kædesektion betragtes som en variant af en termodynamisk opfattelse af ting.

Kaldet og ligheder. I det termodynamiske koncept anvendes følgende konstanter massivt: tale om termisk ledningsevne koefficient( Fourier lov) og isotermisk ledningsevne( Ohm's lov).

Konsekvenser af

En række nyttige love relateret til emnet, der diskuteres:

1. I en lukket kredsløb af et homogent materiale på grund af temperatur, kan den elektriske strøm ikke opretholdes. Denne erklæring bærer navnet på den tyske fysiker Magnus. Nogle gange kaldes loven for en homogen kæde.
2. Loven af ​​mellemmetaller angiver, at den algebraiske sum af termoelemf af en lukket sløjfe bestående af et hvilket som helst antal segmenter af heterogene ledende materialer er nul forudsat at temperaturen af ​​sektionerne er den samme.

Brug af termoelektriske og elektrotermiske effekter

I lang tid fandt den direkte og inverse termoelektriske effekt ikke anvendelse, den anvendte værdi viste sig for lille. Efterhånden har fysikere skabt legeringer, hvis egenskaber overlapper de rene metaller, der anvendes af Peltier og Lenz med to størrelsesordener. Nu anvendes termoelektricitet. Husk køleskabstermostaten eller termoelektriske køleskabe uden bevægelige dele. Rumbranchen er meget mere interessant, hvor fænomenet bruges til at afkøle fotoresistorer: Når temperaturen falder kun 10 grader, øges følsomheden af ​​sådanne sensorer med en størrelsesorden.

En yderligere fordel ved de beskrevne tekniske løsninger er kompaktitet og lavt energiforbrug: Med en vægt på 150 g køler enheden termistoren 50-60 grader. I forbrugerelektronik understøtter Peltier-effekten den normale tilstand af processorer i systemenheden af ​​personlige computere. Ja, det er værd at den tekniske løsning ikke er billig, men lydløshed er garanteret. For eksempel entusiaster fra 2010s design køleskabe derhjemme. Høj effektivitet kan ikke opnås på grund af store tab gennem kroppen. Men med fremkomsten af ​​nye isolerende byggematerialer vil situationen blive bedre.

Interessant, når retningen af ​​den elektriske strøm ændres, begynder effekten at virke i modsat retning. Opvarmning er mulig. På baggrund af de beskrevne virkninger oprettes termostater, der overvåger temperaturen til tusindedele af en grad. Blandt de lovende områder fejrer indenlandske klimaanlæg og andre kølesystemer. Den mest mærkbare ulempe er prisen. Og vi må ikke glemme, at klimaanlæggets effektivitet som regel er større end 1, fungerer denne enhed efter princippet om en varmepumpe. Lad effektiviteten falde kraftigt med stigende omgivelsestemperatur, mens termoelementer ligger langt bag traditionelle kølemetoder med deres 10%.

Udtryk andre meninger. Akademiker Ioffe, hvor nogle af dem er brugt i ovennævnte emne, foreslås at skabe systemer til opvarmning og kølerum som split-systemer. I dette tilfælde opstår der en komplikation, som med typiske balsam, men effektiviteten når 200%.Betydning: Under opvarmning er f.eks. Et varmeabsorberende knudepunkt placeret udenfor, og det fremadrettede kryds er placeret indendørs. Det er ikke let at svinge varmen ud af kulden, fordi teknikken har begrænsninger. Det er dog ikke forbudt at oprette varmepumper på grundlag af denne metode.

De ubetingede fordele ved klimasystemer, der anvender Peltier-elementet, omfatter evnen til at arbejde i modsat retning. Om sommeren bliver ovnen luftkonditioneret. Det er kun nødvendigt at ændre retningen af ​​strømmen. Kendte modsatte udviklinger, designet til at omdanne solvarme til elektrisk energi. Men mens sådanne mønstre er lavet på basis af silicium, og der ikke er plads til termoelementer.

Materialer til at skabe termoelementer

Det er klart, at konventionelle metaller ikke er egnede til at skabe effektive systemer. Kræver et par strøm fra 100 μV til 1 grad. I sidstnævnte tilfælde opnås høj effektivitet. Legeringer er vismut, antimon, tellur, silicium, selen. Ulemperne ved komponenterne omfatter skrøbelighed og relativt lav driftstemperatur. Lav effektivitet tilføjer begrænsninger, men med indførelsen af ​​nanoteknologi er der håb om, at de sædvanlige rammer vil blive overvundet. Forskere blandt lovende områder kaldte udviklingen af ​​en fundamentalt ny halvlederbase med virkelig unikke egenskaber, herunder den nøjagtige værdi af energieniveauerne af materialer.