Element Peltiera

Element Peltiera to urządzenie elektryczne, które pod wpływem prądu elektrycznego generuje różnicę temperatur w miejscu pracy. Zasada działania jest odwrotnym efektem Seebecka. Warto zauważyć, że dopuszczalne jest wywoływanie końcówek złącza termopary, a także rzeczywistego połączenia metali w czułym miejscu czujnika. Nie powinieneś być wprowadzany w błąd, końce są zwykle połączone z obwodem pomiarowym i nie dotykaj.

Wpływ termoelektryczności

21 lipca 1820 r. Uważany jest za punkt zwrotny w rozwoju historii: Oersted postanowił opublikować swoje obserwacje na temat wpływu przewodu przenoszącego prąd na orientację igły magnetycznej w przestrzeni. Dalsze odkrycia następują po sobie, interesuje nas wynalezienie pierwszego galwanometru. Producent, Schweigger, nazwał urządzenie mnożnikiem dla jego zdolności do pomnożenia wyniku działania kilku zwojów prądu przenoszącego drut na igłę magnetyczną.W związku z tym, rok później( 1821), fizyk pochodzenia estońskiego, Seebeck, odkrył termoelektryczność.Powszechnie wiadomo, że pięć lat później stało się to z George'em Ohmem, aby uzyskać znane na całym świecie prawo.

Literatura mówi, że Seebeck użył solenoidu z licznymi zwojami drutu i igłą magnetyczną jako detektorem. Historia jest cicha, gdy uderzenie bizmutu i antymonu uderzyło w naukowca, ale mówi, że naukowiec połączył tandem jako źródło mocy i nieustannie obserwował oscylacje kompasu, kiedy wziął termoogniwo w dłonie. Było to prawdopodobnie bliskie odkrycia jego nadnaturalnych zdolności, ale w rezultacie doszedł do wniosku, że winę ponosi ciepło rąk.Świetne wyniki, naukowiec osiągnął, używając lampy oświetleniowej jako źródła ciepła.

Seebeck błędnie zinterpretował wynik eksperymentu, nazywając polaryzację magnetyczną odkrycia: przesunięcie punktu grzania na drugi koniec zmieniło kierunek odchylenia strzałki. W rezultacie powstała zła teoria. Zaczęli twierdzić, że temperatura umożliwia bezpośrednie uzyskanie właściwości magnetycznych, a pole ziemi wynika z aktywności wulkanów. Georg Ohm, już niedługo po opisanym odkryciu, zastosował termoemf w celu uzyskania znanego prawa, aw 1831 r. Podobne źródło zastosowano w eksperymentach elektrolizy.

Wartość termoemulsyjna jest mała. Zwykle dziesiątki mV.Jeśli chcesz znaleźć określoną wartość, skorzystaj z tabel. Platyna jest wyznacznikiem temperatur w zakresie klimatu Ziemi. Tabele zawierają wartość termo-emfu dla termopar z określonego metalu i badanych: chrom, alumel, miedź, żelazo. Wartości są dodatnie i ujemne. Na przykład dla antymonu wynosi +4,7 mV, a dla bizmutu - minus 6,5.Wartości sumują się i staje się jasne, że gdy różnica temperatur na końcach pary 100 stopni pola elektromagnetycznego powstaje przy 12,2 mV.Georg Om próbował stworzyć podobne warunki zanurzając pierwszy koniec w lodzie, a drugi we wrzącej wodzie.

czasami zawierają wiele wartości. Na przykład dla różnych temperatur w krokach co 100 stopni. Następnie możliwe jest obliczenie wartości dla każdego z nich, ale także z podstawieniem zerowym dla dowolnej z określonych temperatur. Różnica między większą i mniejszą wartością jest brana. W przypadku pojedynczych termoelementów w określonej temperaturze kierunek działania termoemulsji zmienia się na przeciwny. Na przykład dla miedzi i żelaza punkt graniczny będzie wynosił 540 stopni Celsjusza.

Peltier Effect

Efekt Peltiera nazywany jest lustrzanym odbiciem termoelektryczności. W tym przypadku prąd przenosi ciepło z pierwszego końca termopary do drugiego. A po zmianie kierunku i rozgrzanej stronie zamienia się w przeciwną.Efekt został odkryty w 1834 roku, błędnie zinterpretowany. Zaledwie 4 lata później "rodak" Lenz zdołał zamarznąć i odparować kroplę wody za pomocą termopary. W każdym przypadku prąd pokazywał swój własny kierunek.

Efekt jest po prostu wyjaśniony we współczesnej fizyce. Załóżmy, że istnieją dwa różne półprzewodniki o tym samym typie przewodnictwa. Elektrony w każdym z nich uzyskują inną wartość energii, a poziomy w obu przypadkach są bliskie. Teraz wyobraź sobie, że prąd elektryczny zaczął przenosić ładunki z jednego medium na drugie. Co się stanie? Elektrony o wysokiej energii, znajdujące się w otoczeniu niskich poziomów, dadzą dodatkową ilość krystalicznej sieci, wytwarzając ciepło. Wręcz przeciwnie, jeśli energia nie jest wystarczająca, zostanie przeniesiona z sieci krystalicznej, co spowoduje chłodzenie połączenia.

Jeśli typ przewodności półprzewodników w termoparze nie jest taki sam, efekt jest wyjaśniony inaczej. Elektron wchodzący do materiału p zastępuje otwór( nośnik ładunku dodatniego) na poziomie energetycznym. W rezultacie traci energię kinetyczną ruchu i różnicę między stanem bieżącym i przeszłym. Uwolniona ilość idzie do tworzenia wolnych nośników po obu stronach złącza pn. Resztę podaje się sieci krystalicznej, z której następuje ogrzewanie. Jeśli energia w początkowym momencie jest mniejsza, rozpocznie się chłodzenie złącza. Media rekombinacyjne są uzupełniane przez źródło zasilania.

Ilość wydzielanego lub pochłoniętego ciepła jest proporcjonalna do ładunku przepływającego przez przewodnik. Współczynnik w formule zależności liniowej nosi nazwę Peltier. Podobna wartość została wprowadzona dla termoelektryczności, nazwanej tak od Seebecka. Z formuły wynika, że ​​ilość uwolnionego ciepła, w przeciwieństwie do efektu Joule-Lenza, jest proporcjonalna do pierwszego stopnia prądu elektrycznego( określającego przeniesiony ładunek).

Thomson effect

Opierając się na współczynnikach Seebecka i Peltiera, Lord Kelvin( Thomson) przewidział nowy efekt w 1856 roku: przewodnik nagrzany w centrum chłodzi się z jednej strony i przepuszcza ciepło z drugiej. Dane teoretyczne potwierdzono empirycznie, otwierając drogę do stworzenia technologii klimatycznej i innych rzeczy.

Pomysł lorda Thomsona: jeśli istnieje gradient temperatury wzdłuż przewodu( patrz pole elektryczne), ciepło zacznie płynąć, gdy przepływa prąd. To urządzenie działa na zasadzie pompy ciepła. Przenoszona energia jest proporcjonalna do gradientu: im bardziej stromy jest wykres zmian temperatury wzdłuż długości przewodu, tym większy jest efekt cieplny.

Współczynnik proporcjonalności w formule nosi nazwę Thomson i jest powiązany z termoelektrycznością i współczynnikami Peltiera. Powyżej autorzy udzielili wyjaśnień zgodnie z teorią kinetyczną( mikroskopową), która operuje poziomami stanów energetycznych nośników ładunku. Lord Kelvin stosował się do koncepcji termodynamicznej( makroskopowej), w której uwzględnia się globalne przepływy i siły. To rozróżnienie dotyczy wielu dziedzin fizyki. Na przykład prawo Ohma dotyczące łańcucha może być traktowane jako odmiana termodynamicznego spojrzenia na rzeczy.

Wywoływane i podobieństwa. W koncepcji termodynamicznej stosuje się masywnie następujące stałe: mowę na współczynniku przewodności cieplnej( prawo Fouriera) i przewodnictwo izotermiczne( prawo Ohma).

Konsekwencje

Kilka użytecznych praw związanych z omawianym tematem:

1. W zamkniętym obiegu jednorodnego materiału ze względu na temperaturę, prąd elektryczny nie może być utrzymywany. To stwierdzenie nosi imię niemieckiego fizyka Magnusa. Czasami określany jako prawo jednorodnego łańcucha.
2. Prawo metali pośrednich stwierdza, że ​​suma algebraiczna termoemulsji zamkniętej pętli składającej się z dowolnej liczby odcinków heterogenicznych materiałów przewodzących wynosi zero, pod warunkiem że temperatura przekrojów jest taka sama.

Korzystanie z efektów termoelektrycznych i elektrotermicznych

Przez długi czas bezpośredni i odwrotny efekt termoelektryczny nie znalazł zastosowania, wartość użyteczna okazała się zbyt mała. Stopniowo fizycy stworzyli stopy, których właściwości pokrywają się z czystymi metalami używanymi przez Peltiera i Lenza o dwa rzędy wielkości. Teraz stosuje się termoelektryczność.Przypomnij termostat lodówki lub lodówki termoelektryczne bez ruchomych części. Przemysł kosmiczny jest o wiele bardziej interesujący, gdzie zjawisko to wykorzystywane jest do chłodzenia fotorezystorów: kiedy temperatura spada tylko o 10 stopni, czułość takich czujników wzrasta o rząd wielkości.

Dodatkową zaletą opisanych rozwiązań technicznych jest zwartość i niskie zużycie energii: o wadze 150 g, urządzenie chłodzi termistor o 50-60 stopni. W elektronice użytkowej efekt Peltiera obsługuje normalny tryb procesorów w jednostce systemowej komputerów osobistych. Tak, warto rozwiązanie techniczne nie jest tanie, ale gwarantuje się bezgłośność.Na przykład entuzjaści z 2010 roku projektują lodówki w domu. Wysoka wydajność nie może zostać osiągnięta ze względu na duże straty w ciele. Jednak wraz z pojawieniem się nowych materiałów izolacyjnych, sytuacja ulegnie poprawie.

Co ciekawe, gdy zmienia się kierunek prądu elektrycznego, efekt zaczyna działać w przeciwnym kierunku. Ogrzewanie jest możliwe. Na podstawie opisanych efektów powstają termostaty monitorujące temperaturę do tysięcznych stopnia. Wśród obiecujących obszarów świętują domowe klimatyzatory i inne systemy chłodzenia. Najbardziej zauważalną wadą jest cena. I nie wolno nam zapominać, że wydajność klimatyzatora z reguły jest większa niż 1, to urządzenie działa na zasadzie pompy ciepła. Pozwól, aby wydajność gwałtownie spadła wraz ze wzrostem temperatury otoczenia, podczas gdy termopary są daleko w tyle za tradycyjnymi metodami chłodzenia z ich 10%.

Wyraź inne opinie. Academician Ioffe, którego niektóre maksymy zostały użyte w powyższym temacie, zaproponował stworzenie systemów do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń jako systemów split. W takim przypadku powstaje komplikacja, jak w przypadku typowych kondycjonerów, ale wydajność sięga 200%.Znaczenie: na przykład podczas ogrzewania na zewnątrz umieszcza się złącze pochłaniające ciepło, a rozwijające się złącze umieszcza się w pomieszczeniu. Nie jest łatwo wyrzucać ciepło z zimna, ponieważ technika ma ograniczenia. Jednakże nie jest zabronione tworzenie pomp ciepła w oparciu o tę metodologię.

Bezwarunkowe zalety systemów klimatycznych wykorzystujących element Peltiera obejmują zdolność do pracy w przeciwnym kierunku. Latem piec stanie się klimatyzowany. Konieczna jest tylko zmiana kierunku przepływu prądu. Znane zjawiska przeciwne, przeznaczone do przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną.Ale podczas gdy takie projekty są wykonane na bazie krzemu, i nie ma miejsca na termopary.

Materiały do ​​tworzenia termoelementów

Oczywiście, konwencjonalne metale nie są odpowiednie do tworzenia wydajnych systemów. Wymaga pary mocy od 100 μV do 1 stopnia. W tym drugim przypadku osiąga się wysoką wydajność.Materiałami są stopy bizmutu, antymonu, telluru, krzemu, selenu. Wady składników obejmują kruchość i stosunkowo niską temperaturę roboczą.Niska efektywność dodaje ograniczenia, ale wraz z wprowadzeniem nanotechnologii istnieje nadzieja, że ​​tradycyjne ramy zostaną przezwyciężone. Naukowcy spośród obiecujących dziedzin zwali rozwój całkowicie nowej półprzewodnikowej bazy o naprawdę unikalnych właściwościach, w tym dokładnej wartości poziomów energetycznych materiałów.