Peltier-Effekt

Peltier-Effekt - ein Verfahren, durch das Auftreten einer Temperaturdifferenz auf den verschiedenen Materialien begleitet zwei durch elektrischen Strom durch sie verläuft. Zum ersten von Akademikers und Erfinder Lenz erklärt Zeit.

dank

Wir können keine Dankbarkeit UdSSR Akademie der Wissenschaften und Akademiker AF ignorieren Joffe für die großartige Arbeit an der Entwicklung von thermoelectricity in der UdSSR und Forschungsergebnisse an die Öffentlichkeit zu bringen.

Anwendbarkeit

Peltier-Effekt wird verwendet zum Kühlen, Erwärmen kann jede Führung durch den Joule-Lenz. Daher ist das Phänomen, nützlich:

1. Um ein Niederspannungs-DC und Kühlschränke zu erstellen. Mit der Möglichkeit der Stromheizung bei wechselnder Polarität. Im Westen, so Straße sandvichennitsy gebaut. Die Kälte hält das Produkt verdirbt, Verpolung kann das Produkt an den Tisch heiß unterbreiten.
2. Kühle Prozessoren leisten einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtrauschverhalten der Systemeinheit. Wenn Sie sie mit Peltier-Elemente ersetzen, insgesamt manchmal Mangel des Lüfters. Er rauscht nicht so sehr der Körper besteht aus einem leistungsfähigen Kühler beraubt und Fixierung zuverlässig (im Gegensatz zu dem Motherboard Material).
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Die Entwicklung der Theorie der Kühlung

Peltier-Effekt ist nicht die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern angezogen, so schien es nutzlos. Eröffnet im Jahr 1834, Staub auf wissenschaftliche Bibliotheken mehr als ein Jahrhundert vor den Regalen zu sammeln, anstatt Stahl in diesem Bereich die ersten bedeutenden technischen Lösungen. Zum Beispiel Altenkirch (1911) angegeben Unfähigkeit, die Peltier-Effekt Kälteanlagen zu verwenden, in der Berechnung auf der Verwendung von reinen Metallen, Legierungen und Halbleiter statt beruhte.

Der Irrtum der Schlussfolgerungen des deutschen Wissenschaftlers später bestätigt, welche große Rolle für Labor der Akademie der Wissenschaften des Halbleiters. 1950 gründete sie kohärente Theorie, die für eine weitere Anzahl von Jahren ermöglichte den ersten elektro Kühlschrank zu schaffen. Mit einem relativ geringen Wirkungsgrad von 20% senkt die Temperatur der Vorrichtung bei 24 Grad, was in den meisten Fällen ausreichend für den Hausgebrauch. Jahre später war die Temperaturdifferenz bereits 60 Grad.

In der Physik der 50er Jahre wurde Peltier-Element als Kühler mit Freon anstelle des Elektronengases angesehen. Er führte in Übereinstimmung mit dieser Systembetrachtung. Der Hauptparameter - Kühlwirkungsgrad, das Verhältnis der Wärmemenge pro Zeiteinheit in der Aufnahme die Kraft, die aufgewendet wird, auf. Moderne Freon Klimaanlagen und Kühlschränke Zahl größer als eins ist. In 50-er Jahren des Peltier-Elements war kaum 20%.

Der Effekt aus der Sicht der Thermodynamik

Peltier-Effekt wird durch zeigen beschrieben, wie viel Energie bei einem bestimmten Wert des elektrischen Stroms übertragen wird. Exprimierenden es in Zeiteinheiten sind Power-Geräte, die auf der Grundlage der Bedürfnisse des Kühlschranks bestimmt wird. Heute beliebte geräuschlos Elemente Peltier-Kühler für Prozessoren. Eine kleine Kristallplatte abkühlt und kühlt den Radiatorkühler. Peltier-Element dient als eine Wärmepumpe, die Wärme von der CPU Entladung garantiert, verhindert hitzen.

In der Formel in der Figur mit alpha bezeichnet ist thermo-Koeffizienten emf Hälften (Bestandteile) des Elements. T - Arbeitstemperatur in Grad Kelvin. Jedes Element ist typischerweise Seiten-Thomson-Effekt, wenn der Strom durch den Leiter fließt, und entlang der Linie weist einen Gradienten (Richtungsdifferenz) Temperaturen zusätzlich zu Joule, Stand und andere Hitze. Letzteres wird nach Thomson benannt. In einigen Teilen der Energiekette aufgenommen werden. Daher hat die Thomson-Effekt einen starken Einfluss auf den Betrieb der Heizungen und Kühlschränke. Aber es ist, wie bereits erwähnt, Seite, nachgewiesenes Faktor.

Die übertragene Wärme durch Thomson-Effekt, ist die Temperaturdifferenz direkt proportional zu den Leiterenden und hängt von dem fließenden Strom. Das Phänomen tritt nur bei Stoffen mit einer ausgeprägten Abhängigkeit des Koeffizienten der thermischen emf von der Temperatur. In einigen Berechnungen Thomson-Effekt Null angesehen wird, ist es nahe an der Wahrheit. Die thermodynamische Theorie des Prozesses der Rückführung und Auswahl der Wärme aus der Sicht von zwei Wärmeflüssen berücksichtigt:

• Der Wärmefluss ist ein Kühl Picks-Übergang, die von zwei parallel Erreichungsverfahren gefolgt:

1. Parasitäre Wärme durch Joule-Lenz. In der Thermodynamik, wird sie als die Hälfte des Produkt aus dem Quadrat des Stroms zum Widerstand genommen. Die zweite Hälfte fällt auf die heiße Lötstelle.
2. Das Erhitzen der Strömung Wärme von einem warmen Teil kommen. Ist gleich die Temperaturdifferenz, mit der Gesamt-Wärmeleitfähigkeit des Thermo Zweiges multipliziert wird.

• In der heißen Lötstelle sind umgekehrte Prozesse des zweiten Schrittes und ähnlich die ersten (Wärme wird zu dem abgekühlten Teil weggetragen) - Joulesche Wärme wird freigesetzt.

Aus dem Wortlaut impliziert, dass eine effektive Lösung, um die Effizienz der Isolierung zwischen den Kreuzungen werden zu maximieren. Die Halbleiter-Paar verwendet, der fähig ist eine thermische elektromotorische Kraft zu erzeugen, elektrischer Strom hat ihren Widerstand zu überwinden. Aufgewandt Energie ist proportional zur Temperaturdifferenz und Differenz in der thermischen emf Substanzen Koeffizienten und hängt von dem fließenden Strom. Sind grafische Darstellungen der Kurven und differenzier sie um die Extrema zu finden Bedingungen maximaler Temperaturdifferenz erhalten (zwischen einem Raum und Kühlschrank).

Die Figuren zeigen die Ergebnisse der Ableitungsoperation unter dem optimalen Ströme für den Widerstand R und das Thermoelement Grenze Erhöhung Kühlwirkung berechnet wird. Aus diesen Formeln folgt, dass die ideale Maschine, wenn passiert:

• Die Leitfähigkeit des gleichen Thermoelement-Material.
• Die Wärmeleitfähigkeit des gleichen Thermoelement-Material.
• Die Koeffizienten der thermischen elektromotorischer Kraft gleich, aber im Vorzeichen entgegengesetzt.
• Die Querschnitte und Längen der Zweige des gleichen Thermoelement.

Zur Realisierung dieser Bedingungen in der Praxis schwierig. In diesem Fall ist der begrenzende Faktor ist das Verhältnis der Kältemitteltemperatur der kalten Lötstelle auf eine Temperaturdifferenz. Recall, ist dies die perfekte Beschreibung der Maschine, in der Realität, noch unerreichbar.

Wie optimieren Kühler Peltier

Die Zahlen sind grafische Darstellungen, Variablen, um die Effizienz der Peltier-Elemente zu beeinflussen. Erstens ist es offensichtlich, - der thermo-emf Koeffizient neigt dazu, mit steigender Trägerkonzentration auf Null. Er erinnert daran, dass die Metalle nicht das beste Material zur Herstellung eines Thermoelement betrachtet werden. Wärmeleitfähigkeit im Gegenteil erhöht. In der Thermodynamik, wird angenommen, dass sie aus zwei Komponenten zusammen:

1. Kristallgitter Wärmeleitfähigkeit.
2. Elektronische Wärmeleitfähigkeit. Wobei die Komponente aus offensichtlichen Gründen unabhängig von der Konzentration freier Ladungsträger und bewirkt, dass die Wachstumskurve in der Grafik dargestellt. Die Wärmeleitfähigkeit des Kristallgitters praktisch konstant bleibt.

Die Forscher sind in dem Produkt aus dem Quadrat des Koeffizienten der thermischen EMF auf der elektrischen Leitfähigkeit interessiert. Dieser Wert wird in dem Zähler des Ausdrucks für die Leistungszahl gesetzt. Nach Extremum mit einer Konzentration von freien Ladungsträgern in dem Bereich von 10 bis 19 Grad-Einheiten pro Kubikzentimeter festgestellt. Dies ist um drei Größenordnungen kleiner als die in den reinen Metallen beobachtet, aus denen unmittelbar die Schlussfolgerung ergibt sich, dass das ideale Material für die Halbleiterelemente Peltier wird.

Der Anteil der zweiten Komponente haben eine relativ geringe nach unten auf der Abszisse aufgetragen, und man ließ das Material in diesem Intervall nehmen. Die elektrische Leitfähigkeit von Isolatoren ist zu klein, was die Unmöglichkeit ihrer Verwendung in diesem Zusammenhang erklärt. All dies ermöglicht es Ihnen, den Grund festzustellen, warum die Ergebnisse werden nicht ernst genommen Altenkirchen.

Quantentheorie angewendet auf das Peltier-Element

Thermodynamik nicht erlaubt, eine genaue Berechnung, aber qualitativ beschreibt die Materialauswahlprozess für die Peltier-Elemente. Um Abhilfe zu schaffen, nennen Physiker auf der Quantentheorie. Es arbeitet mit den gleichen Werten, ausgedrückt in Bezug auf die Konzentration freier Ladungsträger, das chemische Potential, die Boltzmann-Konstante. Solche Theorien sind auch kinetische (oder mikroskopisch) gemacht wird genannt, weil es illusorisch und unbekannte Welt der winzigen Teilchen betrachtet wird. Unter den Zeichen gefunden:

1. l - freien Weglänge des Ladungsträgers bedeuten. Es hängt von der Temperatur ab. Das Ergebnis wird durch die Exponenten des Elektronenstreumechanismus r bestimmt (für Atomgittern ist 0; ionische und Temperaturen unter Debye - 0,5; oben Debye - 1; wenn Streuung von Fremdionen - 2).
2. f - Fermi-Verteilungsfunktion (die Energiepegel).
3. x - die reduzierte kinetische Energie des Ladungsträgers.

Integralen der Fermi-Funktionen in der Tabelle aufgeführt sind, ist deren Berechnung nicht schwer. Die Gleichungen der mikroskopischen Theorie der Entscheidung in Bezug auf die thermo-emf-Koeffizienten und die elektrische Leitfähigkeit, die Sie die Leistungskoeffizienten zu finden. Diese komplexen Operationen, die von der BI getan Seitlich, die festgestellt, dass der optimale Wert der Seebeck-Koeffizienten in dem Bereich zwischen 150 und 400 mV / K, sondern hängt von dem Grad des Streumechanismus. Auf den ersten Blick ist es klar, dass die Werte für Metalle werden nicht beobachtet. Als Ergebnis gezeigt eine Gruppe von Physikern von Joffe geführt, dass das beste Material für Thermoelemente eine Reihe von Bedingungen erfüllen muss:

1. Das maximale Verhältnis der Beweglichkeit zu der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit des Kristallgitters.
2. Die Ladungsträgerkonzentration nach der Formel in der Figur gezeigt.

VP Zhuze zeigt an, welche Substanzen die gewünschte Mobilität aufweisen. Ihre Kristallstruktur ist auf halbem Weg zwischen dem Atom-und Metall. Die Einführung von Verunreinigungen in dem Material verringert immer Mobilität. Dies erklärt die Tatsache, dass die thermo-emf Koeffizient von Legierungen ist höher als bei reinen Materialien. Aber die Zunahme der Verunreinigung r. Das ideale Material bestehenden nicht in der Natur, thermo-emf Koeffizient muss einen konstanten Wert von 172 mV / K beibehalten Es ist erforderlich, dass die Konzentration, wie in der Figur angegeben variiert (vgl. nach Anspruch. 2).

Semiconductors Möglichkeit, verschiedene Materialien zu wählen, in dem die Ladungsträgerkonzentration temperaturabhängig ist, und für diejenigen, schaut, wo der Unterschied praktisch gleich Null ist. Durch die Kombination dieser Eigenschaften können versuchen, die am nächsten zu dem idealen Material zu finden.

Aufbau von Kühlschränken

Zu verbessern, um die Peltier-Effekt-Elemente parallel kombiniert. Doch ihre Macht falten. Um ihre eigene Kühlschränke zu konstruieren, müssen sich dessen bewusst die Berechnung der Wärmeverlust durch die ebene Struktur sein. Erstellt spezieller Rechner, sind viele online verfügbar.

Ist bei der Gestaltung zufällig unvorteilhaft aus offensichtlichen Gründen beschäftigt. Und die gute Nachricht ist, dass die Peltier-Elemente in den letzten Jahren deutlich billiger sind. Ali-express Kauf von Produkten aus China 60 Watt für 300 Rubel. Nicht schwer zu sehen, dass während 3000 Kühlschranks zusammengebaut werden kann. Und was würde es die Temperatur halten, hängt von der Konstruktion einer Berechnung notwendig wird.