Elemento Peltier

Un elemento Peltier è un dispositivo elettrico che, sotto l'influenza di una corrente elettrica, genera una differenza di temperatura sui siti di lavoro. Il principio di azione è l'effetto opposto di Seebeck.È interessante notare che si accetta di chiamare i terminali di giunzione della termocoppia, così come la vera giunzione metallica nel punto sensibile del sensore. Non dovresti essere ingannato, le estremità sono solitamente collegate al circuito di misura e non si toccano.

Effetti della termoelettricità

Il 21 luglio 1820 è considerato un punto di svolta nello sviluppo della storia: Oersted decise di pubblicare le sue osservazioni sull'effetto del filo che porta corrente sull'orientamento dell'ago magnetico nello spazio. Ulteriori scoperte seguono una successione, siamo interessati all'invenzione del primo galvanometro. Il produttore, Schweigger, ha definito il dispositivo un moltiplicatore per la sua capacità di moltiplicare il risultato dell'azione di diversi giri di filo trasportando la corrente su un ago magnetico. A causa di ciò, un anno dopo( 1821), un fisico di origine estone, Seebeck, scoprì la termoelettricità.È risaputo che ciò che accadde accadde cinque anni dopo a George Ohm per ottenere una legge famosa in tutto il mondo.

La letteratura dice che Seebeck usava un solenoide con numerosi giri di filo e un ago magnetico come rilevatore. La storia è silenziosa, mentre il picco di bismuto-antimonio colpisce lo scienziato, ma dice che lo scienziato ha collegato il tandem come una fonte di energia e ha visto le oscillazioni della bussola costantemente quando ha preso la termocoppia tra le sue mani. Probabilmente era vicino alla scoperta delle sue stesse capacità sopranormali, ma come risultato si concluse che il calore delle mani era da biasimare. Grandi risultati, lo scienziato ha raggiunto, utilizzando una lampada di illuminazione come fonte di calore.

Seebeck ha interpretato erroneamente il risultato dell'esperimento, chiamando la scoperta della polarizzazione magnetica: lo spostamento del punto di riscaldamento sull'altra estremità ha cambiato la direzione della freccia di deflessione. Di conseguenza, è stata costruita la teoria sbagliata. Hanno iniziato ad affermare che la temperatura consente di ottenere direttamente proprietà magnetiche, e il campo della terra è dovuto all'attività dei vulcani. Georg Ohm, già poco dopo la scoperta descritta, applicò il termodramma per ricavare una legge nota, e nel 1831 una simile fonte fu utilizzata negli esperimenti di elettrolisi.

Il valore del termo emf è piccolo. Di solito decine di mV.Se si desidera trovare un valore specifico, utilizzare le tabelle. Il platino è il punto di riferimento per le temperature nell'intervallo climatico della Terra. Le tabelle contengono il valore di termo-emf per termocoppie dal metallo specificato e lo studio: chromel, alumel, rame, ferro. I valori sono positivi e negativi. Ad esempio, per l'antimonio è +4,7 mV, e per il bismuto - meno 6,5.I valori si sommano e diventa chiaro che quando la differenza di temperatura alle estremità di una coppia di 100 gradi EMF si forma a 12,2 mV.Georg Om ha cercato di creare condizioni simili immergendo la prima estremità in ghiaccio e la seconda in acqua bollente.

Le tabelle di riferimento a volte contengono molti valori. Ad esempio, per temperature diverse con incrementi di 100 gradi. Quindi è possibile calcolare i valori per ciascuno, ma anche con la sostituzione dello zero per una qualsiasi delle temperature specificate. Viene presa la differenza tra il valore più grande e quello più piccolo. Per termocoppie individuali a una certa temperatura, la direzione del termodramma cambia al contrario. Ad esempio, per il rame e il ferro, il punto di confine sarà 540 gradi Celsius.

Effetto Peltier

L'effetto Peltier è chiamato riflesso speculare della termoelettricità.In questo caso, la corrente trasferisce il calore dalla prima estremità della termocoppia alla seconda. E con un cambio di direzione e il lato riscaldato si trasforma in opposto. L'effetto fu scoperto nel 1834, essendo stato erroneamente interpretato. Solo 4 anni dopo, il "connazionale" Lenz riuscì a congelare ed evaporare una goccia d'acqua usando una termocoppia. In ogni caso, la corrente ha mostrato la propria direzione.

L'effetto è semplicemente spiegato nella fisica moderna. Supponiamo che ci siano due semiconduttori dissimili con lo stesso tipo di conduttività.Gli elettroni di ciascuno acquistano un diverso valore di energia e i livelli in entrambi i casi sono vicini. Ora immagina che la corrente elettrica cominci a trasferire le cariche da un mezzo a un altro. Cosa succederà?Gli elettroni ad alta energia, essendo nell'ambiente di bassi livelli, daranno una quantità extra al reticolo cristallino, producendo riscaldamento. Al contrario, se l'energia non è sufficiente, sarà trasferita dal reticolo cristallino, che causerà il raffreddamento della giunzione.

Se il tipo di conduttività dei semiconduttori in una termocoppia non è lo stesso, l'effetto viene spiegato in modo diverso. Un elettrone che entra nel materiale p prende il posto di un foro( portatore di carica positivo) a livello di energia. Di conseguenza, perde l'energia cinetica del movimento e la differenza tra lo stato attuale e passato. La quantità rilasciata va alla formazione di portatori liberi su entrambi i lati della giunzione pn. Il resto è riferito al reticolo cristallino, da cui proviene il riscaldamento. Se l'energia nel momento iniziale è inferiore, inizierà il raffreddamento della giunzione. I mezzi di ricombinazione sono reintegrati dalla fonte di energia.

La quantità di calore rilasciato o assorbito è proporzionale alla carica che passa attraverso il conduttore. Il coefficiente nella formula della dipendenza lineare si chiama Peltier. Un valore simile è stato introdotto per la termoelettricità, che prende il nome da Seebeck. Dalla formula deriva che la quantità di calore rilasciato, in contrasto con l'effetto Joule-Lenz, è proporzionale al primo grado di corrente elettrica( che determina la carica trasferita).

Effetto Thomson

Sulla base dei coefficienti Seebeck e Peltier, Lord Kelvin( Thomson) ha previsto un nuovo effetto nel 1856: il conduttore riscaldato nel centro si raffredda su un lato e passa caldo sull'altro. I dati teorici sono confermati empiricamente, aprendo la strada alla creazione di tecnologie per il clima e altre cose.

L'idea di Lord Thomson: se c'è un gradiente di temperatura lungo il conduttore( vedi campo elettrico), il calore inizierà a fluire quando la corrente scorre. Questo dispositivo funziona secondo il principio della pompa di calore. La potenza trasportata è proporzionale al gradiente: più il grafico delle variazioni di temperatura aumenta lungo la lunghezza del conduttore, maggiore è l'effetto termico che si manifesta.

Il coefficiente di proporzionalità nella formula prende il nome da Thomson ed è associato a coefficienti di termoelettricità e di Peltier. Sopra, gli autori hanno fornito spiegazioni secondo la teoria cinetica( microscopica), che opera con livelli di stati energetici di portatori di carica. Lord Kelvin aderì al concetto termodinamico( macroscopico), in cui i flussi e le forze globali sono presi in considerazione. Questa distinzione si applica a molti rami della fisica. Ad esempio, la legge di Ohm per una sezione di catena può essere considerata una variante di una visione termodinamica delle cose.

Chiamato e somiglianze. Nel concetto termodinamico, le seguenti costanti sono applicate in modo massivo: discorso sul coefficiente di conduttività termica( legge di Fourier) e conduttività isotermica( legge di Ohm).

Conseguenze di

Un numero di leggi utili relative all'argomento in discussione:

1. In un circuito chiuso di un materiale omogeneo a causa della temperatura, la corrente elettrica non può essere mantenuta. Questa affermazione porta il nome del fisico tedesco Magnus. A volte indicato come la legge di una catena omogenea.
2. La legge dei metalli intermedi afferma che la somma algebrica del termo-emf di un anello chiuso costituito da un numero qualsiasi di segmenti di materiali conduttivi eterogenei è zero purché la temperatura delle sezioni sia la stessa.

Utilizzo di effetti termoelettrici ed elettrotermici

Per lungo tempo, l'effetto termoelettrico diretto e inverso non ha trovato applicazione, il valore utile si è rivelato troppo piccolo. A poco a poco, i fisici hanno creato leghe le cui proprietà si sovrappongono ai metalli puri utilizzati da Peltier e Lenz di due ordini di grandezza. Ora viene applicata la termoelettricità.Richiama il termostato del frigorifero oi frigoriferi termoelettrici senza parti mobili. L'industria spaziale è molto più interessante, dove il fenomeno viene utilizzato per raffreddare i fotoresistori: quando la temperatura scende di soli 10 gradi, la sensibilità di tali sensori aumenta di un ordine di grandezza.

Un ulteriore vantaggio delle soluzioni tecniche descritte è la compattezza e il basso consumo energetico: con un peso di 150 g, l'unità raffredda il termistore di 50-60 gradi. Nell'elettronica di consumo, l'effetto Peltier supporta la normale modalità dei processori nell'unità di sistema dei personal computer. Sì, vale la pena la soluzione tecnica non è economica, ma la silenziosità è garantita. Ad esempio, gli entusiasti del 2010 progettano frigoriferi a casa. L'alta efficienza non può essere raggiunta a causa di grandi perdite attraverso il corpo. Ma con l'avvento di nuovi materiali isolanti, la situazione migliorerà.

È interessante notare che quando la direzione della corrente elettrica cambia, l'effetto inizia a funzionare nella direzione opposta. Il riscaldamento è possibile. Sulla base degli effetti descritti, vengono creati termostati che monitorano la temperatura fino a un millesimo di grado. Tra le aree promettenti si celebrano i climatizzatori domestici e altri sistemi di raffreddamento. Lo svantaggio più evidente è il prezzo. E non dobbiamo dimenticare che l'efficienza del climatizzatore, di regola, è maggiore di 1, questa unità funziona secondo il principio di una pompa di calore. Lascia che l'efficienza diminuisca bruscamente con l'aumento della temperatura ambiente, mentre le termocoppie sono molto indietro rispetto ai metodi di raffreddamento tradizionali con il loro 10%.

Express altri pareri. L'accademico Ioffe, le cui massime sono utilizzate nel suddetto argomento, ha proposto di creare sistemi per il riscaldamento e il raffreddamento di stanze come sistemi split. In questo caso, si presenta una complicazione, come con i condizionatori tipici, ma l'efficienza raggiunge il 200%.Significato: durante il riscaldamento, ad esempio, una giunzione che assorbe calore è collocata all'esterno e la giunzione in evoluzione è collocata all'interno. Non è facile far uscire il calore dal freddo, perché la tecnica ha dei limiti. Tuttavia, non è vietato creare pompe di calore sulla base di questa metodologia.

I vantaggi incondizionati dei sistemi climatici che utilizzano l'elemento Peltier includono la capacità di lavorare nella direzione opposta. In estate, la stufa diventerà climatizzata.È solo necessario cambiare la direzione del flusso di corrente. Sviluppi contrari noti, progettati per convertire il calore solare in energia elettrica. Ma mentre tali disegni sono fatti sulla base del silicio, e non c'è posto per le termocoppie.

Materiali per la creazione di termocoppie

Ovviamente, i metalli convenzionali non sono adatti alla creazione di sistemi potenti. Richiede una coppia di potenza da 100 μV a 1 grado. In quest'ultimo caso, si ottiene un'elevata efficienza. I materiali sono leghe di bismuto, antimonio, tellurio, silicio, selenio. Gli svantaggi dei componenti includono la fragilità e la temperatura operativa relativamente bassa. La bassa efficienza aggiunge limitazioni, ma con l'introduzione della nanotecnologia c'è la speranza che il quadro abituale venga superato. Gli scienziati tra aree promettenti hanno definito lo sviluppo di una base di semiconduttori fondamentalmente nuova con proprietà veramente uniche, compreso il valore esatto dei livelli di energia dei materiali.