Effetto Peltier

effetto Peltier - un processo accompagnato dalla comparsa di una differenza di temperatura sui due materiali differenti facendo passare corrente elettrica attraverso di essi. Per la prima volta spiegato da accademico e inventore Lenz.

grazie

Non possiamo ignorare la gratitudine URSS Accademia delle Scienze e accademico AF Joffe per il grande lavoro sullo sviluppo del thermoelectricity in URSS e portando i risultati della ricerca al pubblico.

applicabilità

effetto Peltier viene usato per il raffreddamento, il riscaldamento può qualsiasi guida attraverso il Joule-Lenz. Quindi, il fenomeno è utile:

1. Per creare una bassa tensione DC e frigorifero. Con la possibilità di riscaldare potere quando cambia polarità. A ovest, costruito in modo sandvichennitsy strada. Il freddo mantiene il prodotto di guastarsi, polarità inversa consente di presentare il prodotto alla tavola calda.
2. Raffreddatori processori dare un contributo significativo alla performance rumore complessivo dell'unità di sistema. Se li si sostituisce con elementi Peltier, a volte totale mancanza della ventola. Non fruscii tanto il corpo è privato di un radiatore potente e fissaggio affidabile (a differenza del materiale della scheda madre).
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Lo sviluppo della teoria del raffreddamento

effetto Peltier non è attratto l'attenzione di scienziati, sembrava inutile. Inaugurato nel 1834, raccogliere la polvere sulle biblioteche accademiche più di un secolo prima gli scaffali, piuttosto che in acciaio per essere le prime soluzioni tecniche di rilievo in questo settore. Ad esempio, Altenkirch (1911) afferma impossibilità di utilizzare i sistemi di refrigerazione ad effetto Peltier, nel calcolo si basa sull'uso di metalli puri, leghe e semiconduttori invece.

La fallacia delle conclusioni dello scienziato tedesco poi confermato, quale grande ruolo per laboratorio dell'Accademia delle Scienze di semiconduttori. Nel 1950, ha stabilito teoria coerente, che ha permesso per un ulteriore numero di anni per creare il primo frigorifero elettrotermico. Con una relativamente piccola efficienza del 20% abbassa la temperatura del dispositivo a 24 gradi, che nella maggior parte dei casi sufficiente per usi domestici. Anni dopo, la differenza di temperatura era già 60 gradi.

In 50s fisica dell'elemento Peltier era considerato il refrigeratore con Freon invece del gas di elettroni. Si effettua conformemente alle questa considerazione sistema. Il parametro principale - refrigerazione efficienza, il rapporto tra la quantità di calore per unità di tempo in aspirazione alla potenza che viene speso per. aria freon moderna condizionatori e frigoriferi cifra è maggiore di uno. In 50-zioni dell'elemento Peltier era appena il 20%.

L'effetto dal punto di vista della termodinamica

effetto Peltier è descritto mostrando quanta energia viene trasferita ad un certo valore della corrente elettrica. Esprimendolo in unità di tempo sono dispositivi di potenza, che è determinato in base alle esigenze del frigorifero. Oggi popolari elementi silenziosi refrigeratori Peltier per i processori. Una lastra di cristallo piccolo raffredda e raffredda il dispositivo di raffreddamento del radiatore. elemento Peltier serve come pompa di calore, il calore dalla CPU scarico garantito, evitando il surriscaldamento.

Nella formula in figura sono indicate con alfa coefficienti Termoedifici metà EMF (parti costituenti) dell'elemento. T - temperatura di lavoro in gradi Kelvin. Ogni elemento è tipicamente presente effetto collaterale Thomson se la corrente che attraversa il conduttore, e lungo la linea ha un gradiente (differenza direzionale) temperature saranno in aggiunta a Joule, stand e altri il calore. Quest'ultimo prende il nome da Thomson. In alcune parti della catena dell'energia sarà assorbita. Quindi, l'effetto Thomson ha una forte influenza sul funzionamento dei riscaldatori e frigoriferi. Ma è, come già accennato, lato, fattore di dispersi.

Il calore trasferito per effetto Thomson, la differenza di temperatura è direttamente proporzionale alle estremità dei conduttori e dipende dalla corrente che scorre. Il fenomeno si verifica solo in sostanze con una dipendenza pronunciata del coefficiente di fem termica dalla temperatura. In alcuni calcoli effetto Thomson è considerata pari a zero, è vicino alla verità. La teoria termodinamica del processo di ritorno e selezione del calore viene considerata dal punto di vista di due flussi di calore:

• Il flusso di calore, un raffreddamento giunzione picconi, seguito da due processi raggiungendo paralleli:

1. calore parassita da Joule-Lenz. In termodinamica, che è pari alla metà del prodotto del quadrato della corrente alla resistenza. La seconda metà cade alla giunzione calda.
2. Riscaldamento del flusso di calore proveniente da una parte calda. È uguale alla differenza di temperatura, moltiplicando con la conducibilità termica complessiva dei rami delle termocoppie.

• Nella giunzione calda sono processi inversa della seconda fase (calore viene trasportato via alla parte raffreddata) e simili al primo - calore Joule viene rilasciato.

Dalla formulazione implica che una soluzione efficace per massimizzare l'efficienza dell'isolamento sarà tra le giunzioni. La coppia utilizzata semiconduttori, in grado di generare una forza elettromotrice termica, corrente elettrica deve superare la sua resistenza. energia spesa è proporzionale alla differenza di temperatura e la differenza nel coefficiente sostanze fem termica e dipende dalla corrente che scorre. Sono grafici delle curve, e differenziandoli per trovare gli estremi può ricevere condizioni di massima differenza di temperatura (tra una camera e un frigorifero).

Le figure mostrano i risultati di prendere dell'operazione derivata dove calcolata correnti ottimali per la resistenza R e l'aumento del limite termocoppia effetto refrigerante. Da queste formule ne consegue che la macchina ideale accadrà se:

• La conduttività dello stesso materiale della termocoppia.
• La conducibilità termica del materiale stesso termocoppia.
• I coefficienti di forza elettromotrice termica uguali ma di segno opposto.
• Le sezioni e lunghezze dei rami della stessa termocoppia.

Per realizzare queste condizioni, in pratica difficile. In questo caso, il fattore limitante è il rapporto tra la temperatura del refrigerante del giunto freddo ad una differenza di temperatura. Ricordiamo, questa è la descrizione perfetta della macchina, in realtà, ancora irraggiungibile.

Come ottimizzare refrigeratore Peltier

Le cifre sono variabili grafici che influenzano l'efficienza degli elementi Peltier. In primo luogo, è evidente - il coefficiente di tensione termica tende a zero con l'aumentare della concentrazione dei portatori. Si ricorda che i metalli non sono considerati il ​​miglior materiale per la produzione di una termocoppia. conducibilità termica, al contrario, aumenta. In termodinamica, si ritiene che esso è composto da due componenti:

1. reticolo cristallino conducibilità termica.
2. conducibilità termica elettronica. Detto componente per ovvie ragioni indipendenti dalla concentrazione dei portatori di carica liberi e provoca la curva di crescita presentato sul grafico. La conducibilità termica del reticolo cristallino rimane praticamente costante.

I ricercatori sono interessati al prodotto del quadrato del coefficiente di EMF termico sulla conduttività elettrica. Tale valore viene inserito nel numeratore dell'espressione del coefficiente di prestazione. Secondo estremo osservata alla concentrazione di portatori liberi nella regione da 10 a 19 unità di studio per centimetro cubo. Questo è di tre ordini di grandezza inferiore a quello osservato nei metalli puri, da cui segue immediatamente la conclusione che il materiale ideale per semiconduttori sarà Elementi Peltier.

La percentuale del secondo componente ha un relativamente basso in ascissa, e ha permesso di prendere il materiale in questo intervallo. La conducibilità elettrica di isolatori è troppo piccolo, il che spiega l'impossibilità di loro uso in questo contesto. Tutto questo consente di stabilire il motivo per cui i risultati non sono prese sul serio Altenkirchen.

teoria quantistica applicata all'elemento Peltier

Termodinamica non permette un calcolo preciso, ma descrive qualitativamente il processo di selezione del materiale per gli elementi Peltier. Per porre rimedio alla situazione, i fisici chiamano sulla teoria dei quanti. Si opera con gli stessi valori, espressi in termini di concentrazione di portatori di carica liberi, il potenziale chimico, la costante di Boltzmann. Tali teorie sono fatte è anche chiamato cinetica (o microscopica), perché è considerato illusoria e sconosciuto mondo delle particelle minuto. Tra i segni si trovano:

1. l - libero cammino medio dei portatori di carica. Essa dipende dalla temperatura. Il risultato è determinato dal esponente del scattering di elettroni meccanismo r (per reticoli atomici è 0; ionico e temperature inferiori Debye - 0,5; sopra Debye - 1; quando dispersione di ioni di impurità - 2).
2. f - funzione di distribuzione di Fermi (i livelli di energia).
3. x - la ridotta energia cinetica dei portatori di carica.

Integrali di funzioni Fermi sono elencate nella tabella, il calcolo non è difficile. Le equazioni della teoria microscopica della decisione per quanto riguarda il coefficiente di tensione termica e la conducibilità elettrica, che consente di trovare il coefficiente di prestazione. Queste operazioni complesse effettuate dalla BI Lateralmente, che ha stabilito che il valore ottimale del coefficiente Seebeck è compresa tra 150 e 400 mV / K, ma dipende dal grado di dispersione meccanismo. A prima vista, è chiaro che i valori per i metalli non vengano rispettate. Come risultato, un gruppo di fisici guidato da Joffe dimostrato che il materiale migliore per le termocoppie deve soddisfare un certo numero di condizioni:

1. Il rapporto massimo della mobilità al coefficiente di conducibilità termica del reticolo cristallino.
2. La concentrazione Vettore secondo la formula indicata in figura.

VP Zhuze indica quali sostanze mostrano la mobilità desiderata. La loro struttura cristallina è a metà strada tra la atomico e metallo. L'introduzione di impurità nel materiale riduce sempre mobilità. Questo spiega il fatto che il coefficiente di tensione termica delle leghe è superiore per materiali puri. Ma l'aumento delle impurità r. Il materiale ideale non esistenti in natura, coefficiente di tensione termica deve mantenere un valore costante di 172 mV / K. È necessario che la concentrazione varia come indicato in figura (vedi. della rivendicazione. 2).

Semiconduttori possibilità di scegliere materiali differenti, dove la concentrazione dei portatori dipende dalla temperatura, e cercare quelli in cui la differenza è praticamente nullo. Grazie alla combinazione di queste qualità può cercare di trovare il più vicino al materiale ideale.

costruzione di frigoriferi

Per aumentare l'effetto Peltier elementi sono combinati in parallelo. Tuttavia, il loro potere piega. Per costruire i propri frigoriferi devono essere consapevoli del calcolo della perdita di calore attraverso la struttura planare. calcolatrici speciale creata, molti sono disponibili online.

È impegnata nella progettazione svantaggioso casuale per ovvi motivi. E la buona notizia è che gli elementi Peltier sono notevolmente più convenienti negli ultimi anni. acquistare prodotti Ali-express da Cina 60 watt per 300 rubli. Non è difficile vedere che durante 3000 possono essere assemblati frigorifero. E cosa sarebbe mantenere la temperatura dipende dal progetto che richiede di calcolo.