Peltier Element

Un element Peltier este un dispozitiv electric care, sub influența unui curent electric, generează o diferență de temperatură în locurile de lucru. Principiul acțiunii este efectul opus al Seebeck. Este demn de remarcat faptul că este acceptat să se numească terminalele de joncțiune ale termocuplului, precum și joncțiunea reală a metalelor în locul sensibil al senzorului. Nu trebuie să fiți induși în eroare, capetele sunt de obicei conectate la circuitul de măsurare și nu atingeți.

Efectele termoelectricității

21 iulie 1820 este considerat un punct de cotitură în dezvoltarea istoriei: Oersted a decis să-și publice observațiile asupra efectului firului care poartă curent asupra orientării acului magnetic în spațiu. Mai multe descoperiri urmează o succesiune, suntem interesați de inventarea primului galvanometru. Producătorul, Schweigger, a numit dispozitivul un multiplicator pentru capacitatea sa de a multiplica rezultatul acțiunii mai multor rotații de sârmă care transportă curent pe un ac magnetic. Din acest motiv, un an mai târziu( 1821), un fizician de origine estonă, Seebeck, a descoperit termoelectricitatea. Este bine cunoscut faptul că ceea ce sa întâmplat sa întâmplat cinci ani mai târziu lui George Ohm pentru a obține o lege faimoasă.

Literatura spune că Seebeck a folosit un solenoid cu numeroase rotiri de sârmă și un ac magnetic ca detector. Povestea este silențioasă, deoarece știucul bismut-antimoniu lovi omul de știință, dar spune că omul de știință a conectat tandemul ca sursă de energie și a văzut oscilațiile compasului în mod constant când a luat termocuplul în mâinile sale. Probabil a fost aproape de descoperirea propriilor abilități supranormale, dar, ca rezultat, sa ajuns la concluzia că a fost vina căldura mâinilor. Rezultatele excelente, realizate de om de știință, folosind o lampă de iluminat ca o sursă de căldură.

Seebeck a interpretat greșit rezultatul experimentului, chemând polarizarea magnetică a descoperirii: schimbarea punctului de încălzire la celălalt capăt a schimbat direcția deflecției săgeții. Ca rezultat, a fost construită o teorie greșită.Ei au început să afirme că această temperatură face posibilă obținerea directă a proprietăților magnetice, iar câmpul pământului se datorează activității vulcanilor. Georg Ohm, deja la scurt timp după descoperirea descrisă, a aplicat termo-emf pentru a obține o lege cunoscută, iar în 1831 o sursă similară a fost utilizată în experimentele de electroliză.

Valoarea termo-emf este mică.De obicei zeci de mV.Dacă doriți să găsiți o valoare specifică, utilizați tabelele. Platina este punctul de referință pentru temperaturile din mediul climatic al Pământului. Tabelele conțin valoarea termo-emf pentru termocupluri din metalul specificat și studiul: cromel, alumel, cupru, fier. Valorile sunt pozitive și negative. De exemplu, pentru antimoniu este de +4,7 mV, iar pentru bismut - minus 6,5.Valorile se adaugă și devine clar că atunci când diferența de temperatură la capetele unei perechi de EMF de 100 de grade este formată la 12,2 mV.Georg Om a încercat să creeze condiții similare prin scufundarea primului capăt în gheață, iar al doilea în apă clocotită.

Tabelele de referință conțin uneori multe valori. De exemplu, pentru temperaturi diferite în trepte de 100 de grade. Apoi, este posibil să se calculeze valorile pentru fiecare, dar și cu înlocuirea a zero pentru oricare dintre temperaturile specificate. Diferența dintre valoarea mai mare și cea mai mică este luată.Pentru termocuplurile individuale la o anumită temperatură, direcția termo-emf se schimbă în sens opus. De exemplu, pentru cupru și fier, punctul de graniță va fi de 540 de grade Celsius.

Efectul Peltier

Efectul Peltier se numește reflexie de oglindă a termoelectricității.În acest caz, curentul transferă căldura de la primul capăt al termocuplului la al doilea.Și cu o schimbare de direcție și partea încălzită se întoarce spre dreapta. Efectul a fost descoperit în 1834, fiind interpretat greșit. Doar 4 ani mai târziu, "compatriotul" Lenz a reușit să înghețe și să evaporeze o picătură de apă folosind un termocuplu.În fiecare caz, curentul își arăta direcția proprie.

Efectul este pur și simplu explicat în fizica modernă.Să presupunem că există două semiconductori diferiți cu același tip de conductivitate. Electronii din fiecare dobândesc o valoare diferită de energie, iar nivelurile în ambele cazuri sunt apropiate. Acum imaginați-vă că curentul electric a început să transfere încărcături de la un mediu la altul. Ce se va întâmpla? Electronii cu energie ridicată, fiind în medii cu niveluri scăzute, vor da o cantitate suplimentară rețelei cristaline, producând încălzire. Dimpotrivă, dacă energia nu este suficientă, va fi transferată din rețeaua cristalină, ceea ce va provoca răcirea joncțiunii.

Dacă tipul de conductivitate al semiconductorilor dintr-un termocuplu nu este același, efectul este explicat diferit. Un electron care pătrunde în materialul p înlocuiește un orificiu( purtător de sarcină pozitivă) la nivelul energiei. Ca rezultat, pierde energia cinetică a mișcării și diferența dintre starea curentă și cea trecută.Suma eliberată se duce la formarea de transportatori liberi pe ambele părți ale joncțiunii pn. Restul este raportat la rețeaua cristalină, de unde începe încălzirea. Dacă energia la momentul inițial este mai mică, răcirea joncțiunii va începe. Mediile de recombinare sunt reumplete de către sursa de alimentare.

Cantitatea de căldură eliberată sau absorbită este proporțională cu sarcina care trece prin conductor. Coeficientul din formula dependenței liniare este numit Peltier. O valoare similară este introdusă pentru termoelectricitate, numită după Seebeck. Din formula rezultă că cantitatea de căldură eliberată, spre deosebire de efectul Joule-Lenz, este proporțională cu primul grad de curent electric( determinând sarcina transferată).

Efectul Thomson

Pe baza coeficienților Seebeck și Peltier, Lordul Kelvin( Thomson) a prezis un nou efect în 1856: conductorul încălzit în centru se răcește pe o parte și trece pe celălalt. Datele teoretice sunt confirmate empiric, deschizând calea pentru crearea tehnologiei climatice și a altor lucruri.

Ideea Domnului Thomson: dacă există un gradient al temperaturii de-a lungul conductorului( a se vedea câmpul electric), căldura va începe să curgă atunci când curge curentul. Acest dispozitiv funcționează pe principiul pompei de căldură.Puterea transportată este proporțională cu gradientul: cu cât graficul de temperatură se schimbă mai abrupt de-a lungul lungimii conductorului, cu atât este mai mare efectul termic.

Coeficientul de proporționalitate din formula este denumit după Thomson și este asociat cu coeficienții de termoelectricitate și Peltier. Mai sus, autorii au dat explicații în funcție de teoria cinetică( microscopică), care operează cu niveluri de stări energetice ale purtătorilor de sarcină.Lordul Kelvin a aderat la conceptul termodinamic( macroscopic), în care fluxurile și forțele globale sunt luate în considerare. Această distincție se aplică în multe ramuri ale fizicii. De exemplu, legea lui Ohm pentru o secțiune de lanț poate fi considerată o variantă a unei viziuni termodinamice a lucrurilor.

Chemat și asemănări.În conceptul termodinamic, următoarele constante sunt aplicate masiv: vorbirea pe coeficientul conductivității termice( legea Fourier) și conductivitatea izotermică( legea lui Ohm).

Consecințele

Un număr de legi utile referitoare la subiectul în discuție:

1. Un curent electric nu poate fi menținut într-un circuit închis dintr-un material uniform din cauza temperaturii. Această afirmație poartă numele fizicianului german Magnus. Uneori menționată drept legea unui lanț omogen.
2. Legea metalelor intermediare afirmă că suma algebrică a termo-emf al unei bucșe închise constând din orice număr de segmente de materiale conducătoare eterogene este zero, cu condiția ca temperatura secțiunilor să fie aceeași.

Utilizarea efectelor termoelectrice și electrotermice

De mult timp, efectul termoelectric direct și inversat nu a găsit aplicații, valoarea utilă sa dovedit a fi prea mică.Treptat, fizicienii au creat aliaje ale căror proprietăți se suprapun pe metrele pure utilizate de Peltier și Lenz cu două ordine de mărime. Acum se aplică termoelectricitatea. Reamintiți termostatul frigider sau frigiderele termoelectrice fără părți în mișcare. Industria spațială este mult mai interesantă, unde fenomenul este folosit pentru răcirea fotorezistoarelor: atunci când temperatura scade doar la 10 grade, sensibilitatea acestor senzori crește cu un ordin de mărime.

Un avantaj suplimentar al soluțiilor tehnice descrise este compactarea și consumul redus de energie: cu o greutate de 150 g, unitatea răcește termistorul cu 50-60 de grade.În electronica de consum, efectul Peltier susține modul normal al procesoarelor din unitatea de sistem a computerelor personale. Da, merită soluția tehnică nu este ieftină, dar zgomotul este garantat. De exemplu, entuziaștii de la frigiderul de design din 2010 acasă.Eficiența ridicată nu poate fi obținută din cauza pierderilor mari prin corp. Dar odată cu apariția unor noi materiale de construcție izolatoare, situația se va îmbunătăți.

Interesant, atunci când direcția curentului electric se schimbă, efectul începe să funcționeze în direcția opusă.Este posibilă încălzirea. Pe baza efectelor descrise, se creează termostate care monitorizează temperatura la mii de grade. Printre zonele promițătoare se numără instalațiile de climatizare de uz casnic și alte sisteme de răcire. Dezavantajul cel mai vizibil este prețul.Și nu trebuie să uităm că eficiența aparatului de aer condiționat, de regulă, este mai mare decât 1, această unitate funcționează pe principiul unei pompe de căldură.Lasati eficienta sa scada brusc cu cresterea temperaturii ambientale, in timp ce termocuplurile sunt cu mult in urma metodelor traditionale de racire cu 10%.

Express alte opinii. Academicianul Ioffe, a cărui maxime sunt utilizate în tema de mai sus, a propus crearea sistemelor de încălzire și răcire ca sisteme split.În acest caz, apare o complicație, ca și în cazul aparatelor de condiționare tipice, dar eficiența atinge 200%.Semnificație: în timpul încălzirii, de exemplu, o joncțiune de absorbție a căldurii este plasată în exterior, iar joncțiunea în evoluție este plasată în interior. Nu este ușor să mișcați căldura din frig, deoarece tehnica are limite. Cu toate acestea, nu se interzice crearea de pompe de căldură pe baza acestei metodologii.

Avantajele necondiționate ale sistemelor climatice care utilizează elementul Peltier includ capacitatea de a lucra în direcția opusă.Vara, soba va deveni aer condiționat. Este necesar doar schimbarea direcției fluxului curent. Cunoscute evoluții opuse, concepute pentru a transforma căldura solară în energie electrică.Dar, în timp ce astfel de desene sunt realizate pe bază de siliciu și nu există loc pentru termocupluri.

Materiale pentru crearea de termocupluri

Evident, metalele convenționale nu sunt potrivite pentru crearea de sisteme puternice. Necesită o pereche de putere de la 100 μV la 1 grad.În acest din urmă caz, este obținută o eficiență ridicată.Materialele sunt aliaje de bismut, antimoniu, telur, siliciu, seleniu. Dezavantajele componentelor includ fragilitatea și temperatura relativ scăzută de funcționare. Eficiența redusă adaugă limitări, dar odată cu introducerea nanotehnologiei există speranța că cadrul obișnuit va fi depășit. Oamenii de știință printre domeniile promițătoare au numit dezvoltarea unei baze semiconductoare fundamentale noi cu proprietăți cu adevărat unice, incluzând valoarea exactă a nivelurilor energetice ale materialelor.