Elemento Peltier

Um elemento Peltier é um dispositivo elétrico que, sob a influência de uma corrente elétrica, gera uma diferença de temperatura nos locais de trabalho. O princípio da ação é o efeito oposto de Seebeck. Vale ressaltar que aceita-se chamar os terminais de junção do termopar, bem como a junção real de metal no local sensível do sensor. Você não deve ser enganado, as extremidades são normalmente conectadas ao circuito de medição e não se tocam.

Efeitos da termoeletricidade

21 de julho de 1820 é considerado um ponto de virada no desenvolvimento da história: Oersted decidiu publicar suas observações sobre o efeito do fio transportador de corrente na orientação da agulha magnética no espaço. Mais descobertas seguem uma sucessão, estamos interessados ​​na invenção do primeiro galvanômetro. O fabricante, Schweigger, chamou o dispositivo de um multiplicador por sua capacidade de multiplicar o resultado da ação de várias voltas de fio carregando corrente em uma agulha magnética. Devido a isso, um ano depois( 1821), um físico de origem estoniana, Seebeck, descobriu a termoeletricidade.É bem sabido que o que aconteceu cinco anos depois ocorreu a George Ohm para obter uma lei mundialmente famosa.

A literatura diz que Seebeck usou um solenóide com numerosas voltas de fio e uma agulha magnética como detector. A história é silenciosa, como o pico de bismuto-antimônio atingiu o cientista, mas diz que o cientista conectou o conjunto como uma fonte de energia e viu as oscilações da bússola constantemente quando ele pegou o termopar em suas mãos. Foi provavelmente perto da descoberta de suas próprias habilidades supranormais, mas como resultado concluiu-se que o calor das mãos era o culpado. Grandes resultados, o cientista conseguiu, usando uma lâmpada de iluminação como fonte de calor.

Seebeck interpretou erroneamente o resultado da experiência, chamando a descoberta de polarização magnética: mudando o ponto de aquecimento para a outra extremidade mudou a direção da deflexão da seta. Como resultado, a teoria errada foi construída. Eles começaram a afirmar que a temperatura permite obter diretamente as propriedades magnéticas, e o campo da Terra é devido à atividade dos vulcões. Georg Ohm, logo após a descoberta descrita, aplicou termo-fem para derivar uma lei conhecida, e em 1831 uma fonte similar foi usada em experimentos de eletrólise.

O valor termo-emf é pequeno. Geralmente dezenas de mV.Se você quiser encontrar um valor específico, use as tabelas. A platina é a referência para as temperaturas no intervalo climático da Terra. As tabelas contêm o valor de termo-emf para termopares do metal especificado e o estudado: cromo, alumel, cobre, ferro. Os valores são positivos e negativos. Por exemplo, para antimônio é +4,7 mV e para bismuto - menos 6,5.Os valores se somam e fica claro que quando a diferença de temperatura nas extremidades de um par de 100 graus EMF é formada em 12,2 mV.Georg Om tentou criar condições semelhantes imergindo a primeira extremidade em gelo e a segunda em água fervente.

As tabelas de referência algumas vezes contêm muitos valores. Por exemplo, para diferentes temperaturas em incrementos de 100 graus. Então é possível calcular os valores para cada um, mas também com a substituição de zero para qualquer uma das temperaturas especificadas. A diferença entre o valor maior e menor é tomada. Para termopares individuais a uma determinada temperatura, a direção do termo-emf muda para o oposto. Por exemplo, para cobre e ferro, o limite será de 540 graus Celsius. Efeito Peltier

O Efeito Peltier é chamado de reflexo de espelho de termoeletricidade. Nesse caso, a corrente transfere o calor da primeira extremidade do termopar para o segundo. E com uma mudança de direção e o lado aquecido vira para o oposto. O efeito foi descoberto em 1834, tendo sido mal interpretado. Apenas 4 anos depois, o “compatriota” Lenz conseguiu congelar e evaporar uma gota de água usando um termopar. Em cada caso, a corrente mostrou sua própria direção.

O efeito é simplesmente explicado na física moderna. Suponha que existam dois semicondutores diferentes com o mesmo tipo de condutividade. Os elétrons em cada um deles adquirem um valor diferente de energia, e os níveis em ambos os casos estão próximos. Agora imagine que a corrente elétrica começou a transferir cargas de um meio para outro. O que vai acontecer? Elétrons com alta energia, estando no ambiente de baixos níveis, darão uma quantidade extra à rede cristalina, produzindo aquecimento. Pelo contrário, se a energia não for suficiente, ela será transferida da rede cristalina, o que causará o resfriamento da junção.

Se o tipo de condutividade de semicondutores em um termopar não for o mesmo, o efeito será explicado de forma diferente. Um elétron que entra no material p toma o lugar de um furo( portador de carga positiva) no nível de energia. Como resultado, perde a energia cinética do movimento e a diferença entre o estado atual e o passado. O montante liberado vai para a formação de transportadores livres em ambos os lados do pn-junção. O restante é relatado para a rede cristalina, da qual o aquecimento prossegue. Se a energia no momento inicial for menor, o resfriamento da junção começará.Meios de recombinação são reabastecidos pela fonte de energia.

A quantidade de calor liberada ou absorvida é proporcional à carga que passa pelo condutor. O coeficiente na fórmula de dependência linear é chamado Peltier. Um valor semelhante é introduzido para termoeletricidade, nomeado após Seebeck. Da fórmula segue que a quantidade de calor liberado, em contraste com o efeito de Joule-Lenz, é proporcional ao primeiro grau de corrente elétrica( determinando a carga transferida).

Efeito Thomson

Baseado nos coeficientes de Seebeck e Peltier, Lord Kelvin( Thomson) previu um novo efeito em 1856: o condutor aquecido no centro esfria de um lado e passa quente no outro. Os dados teóricos são confirmados empiricamente, abrindo caminho para a criação de tecnologia climática e outras coisas.

A ideia de Lord Thomson: se houver um gradiente de temperatura ao longo do condutor( ver campo Elétrico), o calor começará a fluir quando a corrente fluir. Este dispositivo funciona no princípio da bomba de calor. A potência transportada é proporcional ao gradiente: quanto maior o gráfico das mudanças de temperatura ao longo do comprimento do condutor, maior o efeito térmico que se manifesta.

O coeficiente de proporcionalidade na fórmula é nomeado após Thomson e está associado aos coeficientes de termoeletricidade e Peltier. Acima, os autores deram explicações de acordo com a teoria cinética( microscópica), que opera com níveis de estados de energia de portadores de carga. Lorde Kelvin aderiu ao conceito termodinâmico( macroscópico), no qual os fluxos e forças globais são levados em conta. Essa distinção se aplica a muitos ramos da física. Por exemplo, a lei de Ohm para uma seção de cadeia pode ser considerada como uma variante de uma visão termodinâmica das coisas.

chamado e semelhanças. No conceito termodinâmico, as seguintes constantes são massivamente aplicadas: fala sobre o coeficiente de condutividade térmica( lei de Fourier) e condutividade isotérmica( lei de Ohm).

Conseqüências do

Uma série de leis úteis relacionadas ao tópico em discussão:

1. Em um circuito fechado de um material homogêneo devido à temperatura, a corrente elétrica não pode ser mantida. Esta declaração leva o nome do físico alemão Magnus.Às vezes referido como a lei de uma cadeia homogênea.
2. A lei dos metais intermediários afirma que a soma algébrica do termo-fem de um circuito fechado que consiste em qualquer número de segmentos de materiais condutores heterogêneos é zero, desde que a temperatura das seções seja a mesma.

Usando os efeitos termoelétricos e eletrotérmicos

Por muito tempo, o efeito termoelétrico direto e inverso não encontrou aplicação, o valor útil acabou sendo muito pequeno. Gradualmente, os físicos criaram ligas cujas propriedades se sobrepõem aos metais puros usados ​​por Peltier e Lenz em duas ordens de grandeza. Agora, a termoeletricidade é aplicada. Lembre-se do termostato da geladeira ou refrigeradores termoelétricos sem partes móveis. A indústria espacial é muito mais interessante, onde o fenômeno é usado para resfriar os fotorresistores: quando a temperatura cai apenas 10 graus, a sensibilidade de tais sensores aumenta em uma ordem de grandeza.

Uma vantagem adicional das soluções técnicas descritas é a compactação e o baixo consumo de energia: com um peso de 150 g, a unidade resfria o termistor em 50-60 graus. Na electrónica de consumo, o efeito Peltier suporta o modo normal de processadores na unidade de sistema dos computadores pessoais. Sim, vale a pena a solução técnica não é barato, mas o ruído é garantido. Por exemplo, entusiastas da década de 2010 projetam refrigeradores em casa. Alta eficiência não pode ser alcançada devido a grandes perdas no corpo. Mas com o advento de novos materiais de construção isolantes, a situação irá melhorar.

Curiosamente, quando a direção da corrente elétrica muda, o efeito começa a funcionar na direção oposta. O aquecimento é possível. Com base nos efeitos descritos, são criados termostatos que monitoram a temperatura em milésimos de grau. Entre as áreas promissoras, estão os ares condicionados domésticos e outros sistemas de refrigeração. A desvantagem mais notável é o preço. E não devemos esquecer que a eficiência do ar condicionado, como regra geral, é maior que 1, esta unidade funciona com o princípio de uma bomba de calor. Deixe a eficiência cair drasticamente com o aumento da temperatura ambiente, enquanto os termopares estão muito aquém dos métodos tradicionais de resfriamento com seus 10%.

Express outras opiniões. O acadêmico Ioffe, algumas máximas das quais são usadas no tópico acima, propôs criar sistemas para aquecimento e resfriamento de salas como sistemas divididos. Nesse caso, surge uma complicação, como nos condicionadores típicos, mas a eficiência chega a 200%.Significado: durante o aquecimento, por exemplo, uma junção de absorção de calor é colocada do lado de fora e a junção em evolução é colocada dentro de casa. Não é fácil tirar o calor do frio, porque a técnica tem limitações. No entanto, não é proibido criar bombas de calor com base nesta metodologia.

As vantagens incondicionais dos sistemas climáticos usando o elemento Peltier incluem a capacidade de trabalhar na direção oposta. No verão, o fogão será climatizado. Só é necessário mudar a direção do fluxo de corrente. Desenvolvimentos opostos conhecidos, projetados para converter calor solar em energia elétrica. Mas enquanto esses desenhos são feitos com base em silício, e não há lugar para termopares.

Materiais para a criação de termopares

Obviamente, os metais convencionais não são adequados para a criação de sistemas potentes. Requer um par de energia de 100 µV a 1 grau. No último caso, alta eficiência é alcançada. Os materiais são ligas de bismuto, antimônio, telúrio, silício, selênio. As desvantagens dos componentes incluem a fragilidade e temperatura operacional relativamente baixa. A baixa eficiência adiciona limitações, mas com a introdução da nanotecnologia, há esperança de que a estrutura usual seja superada. Cientistas entre as áreas promissoras chamaram o desenvolvimento de uma base de semicondutores fundamentalmente nova com propriedades verdadeiramente únicas, incluindo o valor exato dos níveis de energia dos materiais.