Peltier-effekten

Peltier-effekten - en prosess ledsaget av utseende av en temperaturforskjell på de to forskjellige materialer ved å føre elektrisk strøm gjennom dem. For første gang beskrevet av akademiker og oppfinner Lenz.

takk

Vi kan ikke ignorere takknemlighet USSR Academy of Sciences og akademiker AF Joffe for det store arbeidet med utvikling av thermoelectricity i Sovjetunionen og bringe forskningsresultater til allmennheten.

Gyldighet

Peltier-effekt brukes til kjøling, oppvarming kan noen veiledning gjennom Joule-Lenz. Derfor er fenomenet nyttig:

1. For å opprette en lav spenning DC og kjøleskap. Med mulighet for oppvarming av strømmen ved skifte polaritet. I vest, slik konstruert veien sandvichennitsy. Den kalde holder produktet fra ødelegger lar motsatt polaritet for å sende produktet til bordet varm.
2. Kjølere prosessorer gi et betydelig bidrag til den samlede støy ytelsen til systemet enhet. Hvis du erstatter dem med Peltier elementer, noen ganger total mangel på viften. Han rasler ikke så mye at kroppen er ute av et kraftig radiator og feste pålitelig (i motsetning til hovedkortet materiale).

Utviklingen av teorien om kjøling

Peltier effekten er ikke tiltrukket oppmerksomhet av forskere, det virket nytteløst. Åpnet i 1834, samle støv på fagbibliotek mer enn et århundre før hyllene, i stedet for stål for å være de første betydelige tekniske løsninger på dette området. For eksempel, Altenkirch (1911) oppga manglende evne til å bruke Peltiereffekt kjølesystemer, i beregningen var basert på bruken av rene metaller, legeringer og halvledere i stedet.

Feilslutning av konklusjonene fra den tyske vitenskapsmannen senere bekreftet, hvilken stor rolle for laboratorium av Academy of Sciences i halvledere. I 1950 etablerte det sammenhengende teori, som er tillatt for et ytterligere antall år for å skape den første elektrotermisk kjøleskap. Med en forholdsvis liten virkningsgrad på 20% senker temperaturen av enheten ved 24 grader, noe som i de fleste tilfeller tilstrekkelig for boligformål. År senere, temperaturforskjellen var allerede 60 grader.

I fysikk 50-årene ble Peltier-element betraktet som kjøleren med Freon istedenfor elektrons gass. Det gjennomføres i samsvar med dette systemet betraktning. Den viktigste parameter - anleggets effektivitet, er forholdet mellom mengden av varme pr tidsenhet i inntaket til kraften som blir brukt til. Moderne freon klimaanlegg og kjøleskap tallet er større enn én. På 50-tallet av Peltier-elementet var knapt 20%.

Effekten fra standpunktet av termodynamikk

Peltier-effekten er beskrevet ved å vise hvor mye energi som overføres ved en bestemt verdi av den elektriske strøm. Å uttrykke det i tidsenheter er strøm-enheter, som bestemmes basert på behovene til kjøleskapet. Dagens populære lydløs elementer Peltier kjølere for prosessorer. Et lite krystall plata og kjøle og kjøler radiatoren kjøleren. Peltier-element fungerer som en varmepumpe, varmen fra utladnings garantert CPU, hindrer overopphetes.

I formelen i figuren er betegnet med alfa-koeffisienter termo emf halvdeler (Bestanddeler) av elementet. T - arbeidstemperatur i grader Kelvin. Hvert element er typisk til stede side-Thomson-effekt hvis den strøm som flyter gjennom lederen, og langs Linjen har en gradient (retningsforskjell) temperaturer vil komme i tillegg til Joule, stå og annen varme. Sistnevnte er oppkalt etter Thomson. I noen deler av energikjeden vil bli absorbert. Derfor har Thomson-effekten en sterk innflytelse på driften av varmeelementene og kjøleskap. Men det er, som allerede nevnt, side, uforklart faktor.

Den overførte av Thomson-effekten varme, er temperaturforskjellen direkte proporsjonale med lederendene, og avhenger av den flytende strøm. Fenomenet opptrer bare i stoffer med en utpreget avhengighet av den termiske den elektromotoriske kraft på temperatur. I noen beregninger Thomson effekten anses å være null, det er nær sannheten. Den termodynamiske teori om prosessen med retur og valg av varme regnes fra det synspunkt av to varmestrømmene:

• Varmefluksen, en kjøle plukker knutepunkt, etterfulgt av to parallelle rekkende prosesser:

1. Parasittiske varme ved Joule-Lenz. I termodynamikk, er det tatt som halvparten av produktet av kvadratet av strømmen i motstanden. Den andre halvdelen faller til heteovergangen.
2. Oppvarming av varmestrømmen som kommer fra en varm del. Er lik temperaturforskjellen, multiplisere med den totale termiske ledningsevnen til termoelementet grenene.

• I den varme krysset reverserte prosesser av det andre trinnet (varme blir ført bort til den avkjølte del) og tilsvarende til den første - Joule energi frigjøres.

Fra ordlyden innebærer at en effektiv løsning for å maksimere effektiviteten av isolasjonen vil være mellom knutepunktene. Paret anvendt halvledere, i stand til å generere en termisk elektromotorisk kraft, har elektrisk strøm til å overvinne sin motstand. Forbrukt energi er proporsjonal med temperaturforskjell og forskjell i termiske emf stoffer koeffisienter og avhenger av den flytende strøm. Er grafer av kurvene, og skille dem for å finne den ytterverdier kan motta forhold med maksimal temperaturforskjell (mellom et rom og et kjøleskap).

Figurene viser resultatet av å ta den deriverte drift der beregnede optimale strømmer for motstanden R og termogrense på mer kjøleeffekt. Fra disse formlene følger det at den ideelle maskinen vil skje hvis:

• Ledningsevnen av det samme termoelement materiale.
• Den termiske ledningsevne for det samme termoelement materiale.
• De termiske elektromotorisk kraft som er lik men motsatt fortegn.
• Tverrsnittene og lengder av grenene av det samme termoelement.

For å realisere disse forholdene i praksis vanskelig. I dette tilfellet, er den begrensende faktor er forholdet mellom kjølemiddel Temperaturen til den kalde krysset til en temperaturforskjell. Recall, er dette perfekt beskrivelse av maskinen, i virkeligheten, men likevel uoppnåelig.

Hvordan optimalisere chiller Peltier

Figurene er grafer variabler som påvirker effektiviteten av Peltier-elementer. For det første er det åpenbart - termo-elektromotoriske kraft koeffisient tendens til null med økende ladningsbærekonsentrasjon. Det minnes om at metallene ikke blir regnet som det beste materialet for å skape et termo. Termisk konduktivitet, i motsetning hertil, øke. I termodynamikk, er det antatt at det er sammensatt av to komponenter:

1. krystallgitteret varmeledningsevne.
2. Elektronisk varmeledningsevne. Nevnte komponent av åpenbare grunner uavhengig av konsentrasjonen av frie ladningsbærere og forårsaker vekstkurven vist på diagrammet. Den termiske ledningsevne for krystallgitteret forblir praktisk talt konstant.

Forskere er interessert i produktet av kvadratet av den termiske EMF på den elektriske ledningsevne. Nevnte verdi er plassert i telleren i uttrykket for ytelseskoeffisienten. Ifølge ytterpunkt iakttatt ved en konsentrasjon av frie bærere i området 10 til 19 grader enheter per kubikkcentimeter. Det er tre størrelsesordener lavere enn det som ble observert i de rene metaller som følger umiddelbart etter den konklusjon at det ideelle materialet for halvledere vil Peltier-elementer.

Andelen av den andre komponenten har et forholdsvis lavt nede på abscissen, og tillatt å ta materialet i dette intervallet. Den elektriske ledningsevnen i isolatorer er for liten, noe som forklarer at det er umulig for deres bruk i denne sammenheng. Alt dette gjør det mulig å etablere årsaken til at funnene ikke blir tatt på alvor Altenkirchen.

Quantum teori anvendt til Peltier-elementet

Termodynamikk tillater ikke en nøyaktig beregning, men kvalitativt beskriver materiale utvelgelsesprosessen for Peltier-elementer. For å avhjelpe situasjonen, fysikere kaller på kvanteteorien. Den opererer med de samme verdiene, uttrykt som konsentrasjonen av frie ladningsbærere, kjemisk potensial, er Boltzmanns konstant. Slike teorier er laget kalles også kinetisk (eller mikroskopisk), fordi det anses illusorisk og ukjent verden av partikler. Blant de skiltene er funnet:

1. l - midlere fri veilengde av de ladningsbærere. Det avhenger av temperaturen. Resultatet er bestemt av eksponenten av elektronspredningsmekanismen r (for atom-gittere er 0; ioniske og temperaturer under Debye - 0,5; ovenfor Debye - 1; når spredning av urenhets-ioner - 2).
2. f - Fermi-fordelingsfunksjonen (energinivåer).
3. x - redusert kinetiske energien til ladningsbærere.

Integraler av de Fermi funksjoner er oppført i tabellen, er deres beregning ikke vanskelig. Ligninger av den mikroskopiske teorien for avgjørelse med hensyn til den termo emf koeffisient og elektrisk ledningsevne, noe som gjør det mulig å finne den ytelseskoeffisienten. Disse komplekse operasjoner utført av BI Sidelengs, som fastslått at den optimale verdi av den Seebeck-koeffisienten er i området mellom 150 og 400 mV / K, men er avhengig av graden av spredning mekanisme. Ved første øyekast er det klart at verdiene for metallene ikke er observert. Som et resultat av en gruppe fysikere ledet av Joffe vist at det beste materialet for termo må tilfredsstille en rekke forhold:

1. Det maksimale forhold mellom mobilitet til den termiske ledningsevne for krystallgitteret.
2. Den ladningsbærekonsentrasjon i samsvar med formelen som er vist på figuren.

VP Zhuze indikerer hvilke substanser oppviser den ønskede bevegelighet. Deres krystallstruktur er midt mellom den atomære og metall. Innføringen av urenheter i materialet reduserer alltid mobilitet. Dette forklarer det faktum at den termo-elektromotoriske kraft koeffisient av legeringer er høyere enn for rene materialer. Men økningen av urenhet r. Det ideelle materialet ikke eksisterer i naturen, må termo-elektromotoriske kraft koeffisient opprettholde en konstant verdi på 172 mV / K. Det er nødvendig at konsentrasjonen varierer som antydet i figuren (se. angitt i krav. 2).

Halvledere mulighet for å velge forskjellige materialer, hvor den ladningsbærekonsentrasjon er temperaturavhengig, og søke etter de hvor forskjellen er praktisk talt lik null. På grunn av kombinasjonen av disse egenskapene kan prøve å finne den som er nærmest ideelt materiale.

bygging av kjøleskap

For å forsterke effekten Peltier-elementer er kombinert i parallell. Men deres kraft fold. For å konstruere sine egne kjølere trenger å være klar over beregning av varmetapet gjennom den plane struktur. Opprettet spesielle kalkulatorer, mange er tilgjengelig på nettet.

Er engasjert i utformingen tilfeldig ufordelaktig for åpenbare grunner. Og den gode nyheten er at Peltier elementer er vesentlig billigere de siste årene. Ali-express kjøpe produkter fra Kina 60 watt for 300 rubler. Ikke vanskelig å se at i løpet av 3000 kan monteres kjøleskap. Og hva det ville opprettholde temperaturen avhenger av utformingen krever beregningen.