Peltier effekt

Peltier-effekten - en process åtföljd av uppträdandet av en skillnad på de två olika materialen temperatur genom passage av elektrisk ström genom dem. För första gången förklaras av akademiker och uppfinnaren Lenz.

tack

Vi kan inte ignorera tacksamhet USSR Academy of Sciences och akademiker AF Joffe för det stora arbetet med att utveckla termoelektricitet i Sovjetunionen och föra forskningsresultat till allmänheten.

Tillämpning

Peltier-effekten används för kylning, kan uppvärmning någon guide genom Joule-Lenz. Följaktligen är det fenomen användbara:

1. För att skapa en låg spänning och kylskåp. Med möjligheten att värma kraft vid byte polaritet. I väster, så konstruerad väg sandvichennitsy. Kylan håller produkten från att förstöra, tillåter omvänd polaritet för att lämna produkten till tabellen varma.
2. Kylare processorer ge ett betydande bidrag till den totala brusprestanda systemenheten. Om du ersätta dem med Peltier-element, ibland total brist på fläkten. Han frasar inte så mycket kroppen berövas en kraftfull radiator och fastställande tillförlitlig (till skillnad från modermaterialet).

Utvecklingen av teorin om kylning

Peltier effekten inte uppmärksammats av forskare, verkade det meningslöst. Öppnade 1834, samlar damm på akademiska bibliotek mer än ett sekel innan hyllorna, snarare än stål för att vara den första betydande tekniska lösningar inom detta område. Exempelvis Altenkirch (1911) uppgav oförmåga att använda Peltier-effekt kylsystem, vid beräkningen baserades på användning av rena metaller, legeringar och halvledare i stället.

Villfarelsen av slutsatserna i den tyska forskaren bekräftades senare, vilken stor roll för laboratorium Academy of Sciences i halvledare. År 1950 etablerade det sammanhängande teori, som tillåts för ytterligare ett antal år för att skapa den första elektro kylskåp. Med en relativt liten verkningsgrad 20% sänker temperaturen på anordningen vid 24 grader, vilket i de flesta fall tillräckligt för bostadsändamål. Flera år senare, temperaturskillnaden var redan 60 grader.

I fysik 50s Peltierelement betraktades som kylaggregatet med freon i stället för elektrongasen. Den genomförs i enlighet med detta system övervägande. Huvudparameter - kylning effektivitet, förhållandet mellan den mängd värme per tidsenhet i inlopps till kraften som förbrukas på. Moderna freon luftkonditioneringsanläggningar och kylskåp siffra är större än ett. I 50-talet av Peltier-elementet var knappt 20%.

Effekten med utgångspunkt från termodynamik

Peltier effekt beskrivs genom att visa hur mycket energi överförs vid ett visst värde av den elektriska strömmen. Uttrycka den i tidsenheter är makt enheter, vilket bestäms baserat på behoven hos kylskåpet. Idag populära ljudlösa element Peltier kylare för processorer. En liten kristallplattan kyls och kyler kylaren svalare. Peltierelement tjänar som en värmepump, värme från urladdningen garanteras CPU, förhindrar överhettning.

I formeln i figuren betecknas med alfa koefficienter termo emf halvor (beståndsdelar) hos elementet. T - arbetstemperatur i grader Kelvin. Varje element är typiskt närvarande sida-Thomson effekt om den ström som flyter genom ledaren, och längs linjen har en gradient (riktningsskillnads) temperaturer kommer att vara i tillägg till Joule, stå och andra värme. Den senare är uppkallad efter Thomson. I vissa delar av energikedjan kommer att absorberas. Därför har Thomson effekten ett starkt inflytande på driften av värmare och kylskåp. Men det är, som redan nämnts, sida, oräknat faktor.

Den värme som överförs av Thomson effekt, är temperaturskillnaden direkt proportionell mot ledarändarna och beror på den flödande strömmen. Fenomenet förekommer endast i ämnen med en uttalad beroende av koefficienten för termisk emk på temperatur. I vissa beräkningar Thomson effekten anses vara noll, är det nära sanningen. Den termodynamiska teorin om processen för återvändande och urval av värme anses ur synvinkel av två värmeflöden:

• Värmeflödet, en kylande plockar korsning, följt av två parallella gående processer:

1. Parasit värme genom Joule-Lenz. I termodynamik, tolkas den som halv produkten av kvadraten av ström till motståndet. Den andra halvan faller till den varma övergången.
2. Uppvärmning av värmeflödet som kommer från en varm del. Är lika med temperaturskillnaden, multiplicering med den totala värmeledningsförmågan hos termoelementet grenar.

• I den varma övergången är omvända processer av det andra steget (värme förs bort till den kylda delen) och liknande till den första - Joule värme frigörs.

Av lydelsen innebär att en effektiv lösning för att maximera effektiviteten av isoleringen kommer att vara mellan föreningspunkterna. Paret används halvledare, som kan generera en termoelektromotoriska kraften, har elektrisk ström för att övervinna hennes motstånd. Förbrukad energi är proportionell mot temperaturskillnaden och skillnaden i termiska emf ämnen koefficienter och beror på den flödande strömmen. Är grafer av kurvorna och differentiera dem för att hitta extrem kan få villkor för maximal temperaturskillnaden (mellan ett rum och ett kylskåp).

Figurerna visar resultaten av att ta derivatan drift där beräknade optimala strömmar för resistansen R och termoelementet gräns öka kyleffekt. Från dessa formler följer att den idealiska maskinen kommer att hända om:

• Konduktiviteten av samma termoelementmaterialet.
• Värmeledningsförmågan av samma termoelementmaterialet.
• Koefficienterna för termisk elektromotorisk kraft lika men motsatta i tecken.
• Tvärsektioner och längder av grenar av samma termoelement.

För att förverkliga dessa villkor i praktiken svårt. I detta fall är den begränsande faktorn är förhållandet mellan köldtemperaturen för den kalla övergången till en temperaturskillnad. Recall, är detta den perfekta beskrivningen av maskinen, i verkligheten, men ouppnåeligt.

Hur man optimerar chiller Peltier

Siffror är grafer variabler som påverkar effektiviteten hos Peltier-elementen. För det första är det uppenbart - termo emk koefficient tenderar till noll med ökande bärarkoncentration. Det påminner om att metallerna inte anses vara den bästa materialet för att skapa ett termoelement. Värmeledningsförmåga, tvärtom ökar. I termodynamik, antas det att den är sammansatt av två komponenter:

1. kristallgittret värmeledningsförmåga.
2. Elektronisk värmeledningsförmåga. Nämnda komponent av uppenbara skäl är oberoende av koncentrationen av fria laddningsbärare och orsakar kurvan tillväxt presenteras i grafen. Värmeledningsförmågan hos kristallgittret förblir praktiskt taget konstant.

Forskare är intresserad av produkten av kvadraten av koefficienten för termisk EMF på den elektriska ledningsförmågan. Nämnda värde placeras i täljaren i uttrycket för prestandakoefficienten. Enligt extremum observerades vid en koncentration av fria bärare i området av 10 till 19 graders enheter per kubikcentimeter. Detta är tre storleksordningar mindre än den som observerades i de rena metaller från vilken omedelbart följer slutsatsen att den idealiskt material för halvledare kommer Peltier-element.

Andelen av den andra komponenten har en relativt låg ned på abskissan, och tillåtet att ta materialet i detta intervall. Den elektriska ledningsförmågan hos isolatorer är för liten, vilket förklarar att det är omöjligt för deras användning i detta sammanhang. Allt detta gör det möjligt att fastställa orsaken till resultaten inte tas på allvar Altenkirchen.

Kvantteorin tillämpas på Peltier-elementet

Termodynamiken inte tillåter en exakt beräkning, men kvalitativt beskriver materialurvalsprocessen för Peltier-elementen. För att råda bot på situationen, fysiker uppmanar kvantteorin. Den fungerar med samma värden, uttryckt i koncentrationen av fria laddningsbärare, kemisk potential, Boltzmann konstant. Sådana teorier är gjorda kallas också kinetisk (eller mikroskopisk), eftersom det anses illusoriska och okänd värld av små partiklar. Bland de tecken finns:

1. l - innebära fri väg för laddningsbärarna. Det beror på temperaturen. Resultatet bestäms av exponenten av elektronspridningsmekanism r (för atom gitter är 0; joniska och temperaturer under Debye - 0,5; ovan Debye - 1; när spridning av föroreningsjoner - 2).
2. f - Fermi fördelningsfunktion (de energinivåer).
3. x - den minskade rörelseenergi laddningsbärarna.

Integraler av Fermi funktionerna anges i tabellen, är beräkningen inte svårt. De ekvationer av mikroskopiska teorin om beslut med avseende på termo-emk koefficient och elektrisk ledningsförmåga, vilket gör det möjligt att hitta koefficienten prestanda. Dessa komplicerade operationer utförda av BI I sidled, som fastställts att det optimala värdet av Seebeck-koefficienten är i området mellan 150 och 400 mV / K, men beror på graden av spridningsmekanismen. Vid första anblicken är det tydligt att värdena för metaller inte följs. Som ett resultat, en grupp av fysiker ledda av Joffe visat att det bästa materialet för termoelement måste uppfylla ett antal villkor:

1. Det maximala förhållandet mellan rörlighet till koefficienten för värmeledningsförmågan hos kristallgittret.
2. Bärarkoncentrationen enligt formeln som visas i figuren.

VP Zhuze indikerar vilka ämnen uppvisar den önskade rörligheten. Deras kristallstruktur är mitt emellan den atomära och metall. Införandet av föroreningar i materialet minskar alltid rörlighet. Detta förklarar det faktum att termo EMF koefficient legeringar är högre än för rena material. Men ökningen av föroreningen r. Det ideala materialet inte finns i naturen, måste termo-emk koefficienten bibehålla ett konstant värde på 172 mV / K. Det erfordras att koncentrationen varierar som indikeras i figuren (se. enligt krav. 2).

Halvledare möjlighet att välja olika material, där bärarkoncentrationen är temperaturberoende, och leta efter de där skillnaden är praktiskt taget noll. På grund av kombinationen av dessa egenskaper kan försöka hitta närmast idealiskt material.

konstruktion av kylskåp

Att förbättra Peltier-effekten element kombineras parallellt. Men deras makt vika. För att konstruera sina egna kylskåp måste vara medvetna om beräkningen av värmeförlusten genom den plana strukturen. Skapat särskilda räknare, många är tillgängliga online.

Är engagerad i att utforma slumpmässig ofördelaktig av uppenbara skäl. Och den goda nyheten är att Peltier-elementen är betydligt billigare under de senaste åren. Ali-Express köpa produkter från Kina 60 watt för 300 rubel. Inte svårt att se att under 3000 kan monteras kylskåp. Och vad det skulle hålla temperaturen beror på konstruktionen kräver beräkningen.