Peltierjev element

Peltierjev element je električna naprava, ki pod vplivom električnega toka na delovnih mestih ustvarja temperaturno razliko. Načelo delovanja je nasprotni učinek Seebecka. Pomembno je omeniti, da je dovoljeno klicati priključne sponke termočlena, kot tudi pravo povezavo kovin na občutljivem mestu senzorja. Ne smete biti zavedeni, konci so običajno povezani z merilnim krogom in se ne dotikajte.

Učinki termoelektričnosti

21. julij 1820 velja za prelomnico v razvoju zgodovine: Oersted se je odločil objaviti svoja opažanja o vplivu tokovne žice na orientacijo magnetne igle v prostoru. Nadaljnja odkritja sledijo nasledstvu, zanima nas izum prvega galvanometra. Proizvajalec, Schweigger, je napravo poimenoval multiplikator za zmožnost množenja rezultatov delovanja več obratov žice, ki prenašajo tok na magnetno iglo. Zaradi tega je leto kasneje( 1821) fizik estonskega izvora Seebeck odkril termoelektričnost. Znano je, da se je to zgodilo pet let kasneje z Georgeom Ohmom, da bi dobil svetovno znano pravo. V literaturi je navedeno, da je Seebeck kot detektor uporabil solenoid s številnimi obrati žice in magnetno iglo. Zgodba je tiha, ko je bizmutsko-antimonsko konico prizadelo znanstvenika, vendar pove, da je znanstvenik povezal tandem kot vir energije in nenehno videl nihanje kompasa, ko je vzel termočlen v roke. Verjetno je bilo blizu odkritju svojih nadnaravnih sposobnosti, vendar se je zaradi tega zaključilo, da je kriva toplina rok. Veliki rezultati, je znanstvenik dosegel, z uporabo svetilke kot vir toplote.

Seebeck je napačno razlagal rezultat poskusa, imenoval magnetno polarizacijo odkritja: premik ogrevalne točke na drugi konec je spremenil smer upogibanja puščice. Zato je bila zgrajena napačna teorija. Začeli so trditi, da temperatura omogoča neposredno pridobivanje magnetnih lastnosti, zemeljsko polje pa je posledica aktivnosti vulkanov. Georg Ohm, že kmalu po opisu, je uporabil termo-emf, da bi izpeljal znano pravo, leta 1831 pa je bil podoben vir uporabljen v poskusih elektrolize.

Vrednost termo-emf je majhna. Ponavadi več deset mV.Če želite poiskati določeno vrednost, uporabite tabele. Platina je merilo za temperature v podnebnem razponu Zemlje. Tabele vsebujejo vrednost termo-emf za termoelemente iz določene kovine in preučevane: kromel, alumel, baker, železo. Vrednosti so pozitivne in negativne. Na primer, za antimon je +4.7 mV, za bizmut - minus 6.5.Vrednosti se seštevajo in postane jasno, da ko se temperaturna razlika na koncih para 100 stopinj EMF oblikuje pri 12,2 mV.Georg Om je skušal ustvariti podobne pogoje, tako da je prvi konec potopil v led in drugi v vrelo vodo.

Referenčne tabele včasih vsebujejo veliko vrednosti. Na primer, za različne temperature v korakih po 100 stopinj. Nato je mogoče izračunati vrednosti za vsako od njih, pa tudi z zamenjavo ničle za katerokoli določeno temperaturo. Upošteva se razlika med večjo in manjšo vrednostjo. Pri posameznih termočlenih pri določeni temperaturi se smer termo-EMF spremeni v nasprotno smer. Na primer, za baker in železo bo mejna točka 540 stopinj Celzija.

Peltierjev učinek

Peltierjev učinek se imenuje zrcalni odsev termoelektričnosti. V tem primeru tok prenaša toploto od prvega konca termočlena do drugega. In s spremembo smeri in segreto stran obrne na nasprotno. Učinek je bil odkrit leta 1834, ker je bil napačno interpretiran. Le 4 leta kasneje je »rojak« Lenz uspel zamrzniti in izhlapeti kapljico vode s termočlenom. V vsakem primeru je tok pokazal svojo smer.

Učinek je preprosto pojasnjen v sodobni fiziki. Recimo, da obstajata dva različna polprevodnika z enako vrsto prevodnosti. Elektroni v vsakem pridobijo drugačno vrednost energije, ravni v obeh primerih pa so blizu. Predstavljajte si, da je električni tok začel prenašati naboje iz enega medija v drugega. Kaj se bo zgodilo? Elektroni z visoko energijo, ki so v okolju z nizkimi ravnmi, dajejo kristalnemu rešetki dodatno količino, ki proizvaja segrevanje. Nasprotno, če energija ni dovolj, se bo prenesla iz kristalne rešetke, kar bo povzročilo hlajenje stičišča.

Če tip prevodnosti polprevodnikov v termočlenu ni enak, je učinek drugačen. Elektron, ki vstopa v p-material, zavzame mesto luknje( pozitivni nosilec naboja) na energetski ravni. Posledično izgubi kinetično energijo gibanja in razliko med trenutnim in preteklim stanjem. Sproščena količina gre na tvorbo prostih nosilcev na obeh straneh pn-stika. Preostanek se poroča kristalni rešetki, iz katere se nadaljuje segrevanje.Če je energija v začetnem trenutku manjša, se bo začelo hlajenje priključka. Rekombinacijski medij se napolni z virom energije.

Količina toplote, ki se sprosti ali absorbira, je sorazmerna z nabojem, ki prehaja skozi vodnik. Koeficient v formuli linearne odvisnosti se imenuje Peltier. Podobna vrednost je uvedena tudi za termoelektričnost, poimenovano po Seebecku. Iz formule sledi, da je količina sproščene toplote v nasprotju z Joule-Lenzovim učinkom sorazmerna prvi stopnji električnega toka( določanje prenesenega naboja).

Thomsonov učinek

Na podlagi Seebeckovih in Peltierjevih koeficientov je Lord Kelvin( Thomson) leta 1856 napovedal nov učinek: vodnik, ki se je segreval v centru, se ohladi na eni strani in prehaja vroče na drugi. Teoretični podatki se empirično potrjujejo, kar odpira pot za ustvarjanje podnebne tehnologije in drugih stvari.

Ideja lorda Thomsona: če je vzdolž vodnika temperaturni gradient( glej Električno polje), se bo toplota začela pretakati, ko tok teče. Ta naprava deluje na principu toplotne črpalke. Prenesena moč je sorazmerna z gradientom: kolikor je strmejši graf temperaturnih sprememb vzdolž dolžine vodnika, večji je toplotni učinek.

Koeficient sorazmernosti v formuli je poimenovan po Thomsonu in je povezan s termoelektričnostjo in Peltierjevimi koeficienti. Zgoraj so avtorji podali pojasnila po kinetični( mikroskopski) teoriji, ki deluje z ravnmi energetskih stanj nosilcev nabojev. Lord Kelvin se je držal termodinamičnega( makroskopskega) koncepta, kjer so upoštevani globalni tokovi in ​​sile. To razlikovanje velja za mnoge veje fizike. Ohmov zakon za verigo lahko na primer obravnavamo kot varianto termodinamičnega pogleda na stvari.

Klicane in podobnosti. V termodinamičnem konceptu se množično uporabljajo naslednje konstante: govor o koeficientu toplotne prevodnosti( Fourierjev zakon) in izotermična prevodnost( Ohmov zakon).

Posledice

Številni uporabni zakoni, ki se nanašajo na obravnavano temo:

1. V zaprtem krogu homogenega materiala zaradi temperature se električni tok ne more vzdrževati. Ta izjava nosi ime nemškega fizika Magnusa. Včasih imenujemo zakon homogene verige.
2. Zakon vmesnih kovin navaja, da je algebraična vsota termo-emf zaprte zanke, ki je sestavljena iz poljubnega števila segmentov heterogenih prevodnih materialov, enaka nič, če je temperatura odsekov enaka.

Uporaba termoelektričnih in elektrotermičnih učinkov

Dolgo časa direktni in inverzni termoelektrični učinek ni našel uporabe, uporabna vrednost pa se je izkazala za premajhno. Fiziki so postopoma ustvarili zlitine, katerih lastnosti se prekrivajo s čistimi kovinami, ki jih uporabljata Peltier in Lenz, za dva reda velikosti. Zdaj se uporablja termoelektričnost. Ponovno prikličite hladilni termostat ali termoelektrične hladilnike brez gibljivih delov. Vesoljska industrija je veliko bolj zanimiva, kjer se fenomen uporablja za hlajenje fotorezistorjev: ko temperatura pade le za 10 stopinj, se občutljivost takih senzorjev poveča za red velikosti.

Dodatna prednost opisanih tehničnih rešitev je kompaktnost in nizka poraba energije: z maso 150 g enota hladi termistor za 50-60 stopinj. V potrošniški elektroniki Peltierjev učinek podpira običajni način procesorjev v sistemski enoti osebnih računalnikov. Da, vredno je tehnična rešitev, ki ni poceni, vendar je brezčutnost zagotovljena. Na primer, navdušenci iz 2010-ih izdelujejo hladilnike doma. Visoke učinkovitosti ni mogoče doseči zaradi velikih izgub skozi telo. Toda s prihodom novih izolacijskih gradbenih materialov se bo stanje izboljšalo.

Zanimivo je, da se ob spremembi smeri električnega toka učinek začne uporabljati v nasprotni smeri. Ogrevanje je možno. Na podlagi opisanih učinkov se ustvarijo termostati, ki spremljajo temperaturo na tisočinke stopnje. Med obetajočimi področji praznujemo domače klimatske naprave in druge hladilne sisteme. Najbolj opazna pomanjkljivost je cena. In ne smemo pozabiti, da je učinkovitost klimatske naprave, praviloma večja od 1, ta enota deluje na principu toplotne črpalke. Pustimo, da se učinkovitost pri naraščajoči temperaturi okolja močno zmanjša, medtem ko so termoelementi daleč od tradicionalnih metod hlajenja s svojimi 10%.

Izrazite druga mnenja. Akademik Ioffe, ki je v nekaterih temah uporabil maksime, je predlagal oblikovanje sistemov za ogrevanje in hlajenje prostorov kot split-sisteme. V tem primeru se pojavi zaplet, kot pri tipičnih balzamih, vendar učinkovitost doseže 200%.Pomen: med ogrevanjem, na primer, je zunaj nameščen spoj, ki absorbira toploto, in razvijajoči se spoj je nameščen v zaprtih prostorih. Toplote ni mogoče preprosto zavrteti iz mraza, ker ima tehnika omejitve. Vendar pa na podlagi te metodologije ni dovoljeno ustvarjati toplotnih črpalk.

Brezpogojne prednosti klimatskih sistemov z uporabo Peltierjevega elementa vključujejo sposobnost delovanja v nasprotni smeri. Poleti bo peč postala klimatizirana. Potrebno je le spremeniti smer toka. Znani nasprotni razvoj, namenjen pretvorbi sončne toplote v električno energijo. Toda medtem ko so takšni modeli izdelani na podlagi silicija, in ni prostora za termočlene.

Materiali za izdelavo termočlenov

Očitno konvencionalne kovine niso primerne za ustvarjanje močnih sistemov. Zahteva par moči od 100 µV do 1 stopinje. V slednjem primeru je dosežena visoka učinkovitost. Materiali so zlitine bizmuta, antimona, telurja, silicija, selena. Slabosti komponent vključujejo krhkost in relativno nizko obratovalno temperaturo. Nizka učinkovitost dodaja omejitve, toda z uvedbo nanotehnologije obstaja upanje, da bo običajni okvir premagan. Znanstveniki med obetajočimi področji imenujejo razvoj popolnoma nove polprevodniške baze z resnično edinstvenimi lastnostmi, vključno s točno vrednostjo energetskih ravni materialov.