Эффекта пельтье: применимость, суть, оптимизация, квантовая теория

Что можно сделать из элементов Пельтье и за счет каких механизмов?

Элементы Пельтье – казалось бы, давно уже не новость, однако многие не полностью представляют принцип их работы, и не знают, что можно сделать из модулей и зачем они нужны. Изобретатель Игорь Белецкий покажет несколько наглядных экспериментов, чтобы у вас сложилось понимание того, на что способны эти пластинки.

Их легко приобрести в интернете и заказать доставку по почте. Купить Пельтье лучше всего в этом китайском магазине. Есть и специальный кулер охлаждения.

На фото: Модуль Пельтье

Самый популярный модуль Пельтье TEC1-12706

Самым популярным среди практиков, увлеченных идеями свободной природной энергии и производителей технических устройств является элемент размером 40 на 40 миллиметров с маркировкой TEC1-12706.  Это означает, что он состоит из 127 пар малюсеньких термоэлементов – полупроводников разного типа, которые попарно соединены при помощи медных перемычек в последовательную цепь и рассчитаны на постоянный ток до 5 А при напряжении 12 вольт.

Схема Элемента Пельтье

Некоторые думают что модули Peltier, это что-то типа солнечных панелей – ведь они такие же плоские, торчат проводки, и те и другие могут генерировать электрический ток. Увы, это не совсем так на самом деле. Чтобы понять, как функционируют загадочные пластинки, посмотрите видео И. Белецкого, описание в текстовом формате ниже.

Эффекты Пельте и Зебека – функции модуля

У этого девайса есть целых два режима работы – 1. выработка холода и тепла; 2 – генерация электрического тока.

1. Итак, знаменитый эффект Пельтье (тепло и холод). Это когда вы подводите к элементу постоянный ток и замечаете, что одна из его сторон стала теплее, а другая холоднее. Таким образом он работает как тепловой насос. Очень полезное свойство. Спору нет.

2. Но оказалось, что имеет место и обратный процесс – так называемой эффект Зебека, а именно возникновение электрического тока при установлении и поддержании определенной разности температур на сторонах самого модуля (пластинки).

Примечание. Никогда не перегревайте элементы, если хотите и далее проводить эксперимент с ними. Полупроводники в модуле спаяны припоем, температура плавления которого может лежать в пределах от восьмидесяти до двухсот градусов. А учитывая, где сегодня производится большинство этих элементов, можно только догадываться на каких соплях их спаяли.

Схема. Как создается электричество при нагреве сторон Пельтье

Вся неприятность в том, что этот элемент будет нормально работать только при эффективном охлаждении.

Тест с получением электричества

Например, мы хотим проверить эффект Зебека. Поставим сверху кружку с кипятком. Тем самым не превышено 100 градусов, допустимых по нагреву.

Наблюдаем появление напряжения. Интересно, что если изменить направление тепловой потока через модуль, то изменится направление постоянного тока. Но со временем на второй стороне благодаря теплопроводности элемента Пельтье температура тоже поднимется и напряжение, естественно, упадет.

Чтобы эффект был постоянным, нужен постоянный отвод тепла. Для этого модуль размещают на массивным радиаторое и желательно с активным охлаждением. Показатели явно лучше, как вы понимаете. Это требует дополнительных энергозатрат.

Допустим, вы хотите сделать из этого элемента походную зарядку для мобильников. Тогда на природе радиатор можно поместить в холодную воду, возможно даже проточную или ледяную, что несомненно еще лучше. Применение этих модулей зимой при хорошем дармовом минусе – наиболее перспективно.

Правда, одного элемента для зарядки телефона явно будет маловато. А вот два – это уже лучше. Естественно, если увеличить нагрев, то выходная мощность тоже возрастет. Но это очень рискованный шаг, который можно сделать только ради эксперимента. Работа такого генератора будет длиться недолго.

Теперь перейдем к эффекту Пельтье, то есть к производству холода.

Холодильник на модулях Пельте – насколько он эффективен?

Для эксперимента будет использован автомобильный холодильник. Полезный объем его 20 литров. Обратите внимание – заявленная мощность – 48 ватт при токе 4 ампера и постоянном напряжении 12 вольт. А это значит, что внутри стоит всего лишь 1 маленький элемент Пельтье. Для тех кто не в теме откроем секрет – такую же мощность имеет обычный домашний холодильник, размеры которого в разы больше. Ну да ладно, сейчас не об этом. Проверим его эффективность. Например поставим ему минимальную задачу охладить стаканчик с водой, имеющей комнатную температуру 26 градусов. Для работы холодильника будем использовать блок питания, идеально подходящий по своим параметрам. Дополнительно в цепь будем помещен ваттметр. Он будет в реальном времени отображать ток, напряжение и мощность. Но самое главное – потребление, так называемый ватт в час. Таким образом мы сможем примерно оценить энергозатраты нашего холодильника.

Включаем и видим, все прекрасно работает. Вот ток 4,29 А. Напряжение 11,15 Вольт. Мощность 47,9 Ватт. 0,1 Ватт-часов.

Пока процесс идет, проведем более наглядный эксперимент, который покажет, что же именно происходит в холодильнике. Когда подадим на элемент постоянный ток, он начнет перекачивать тепло с одной стороны на другую.

Кстати, если поменять направление тока, то изменится и направление перекачки тепла, что весьма удобно. Главное не забываем об активном охлаждении, потому что пятьдесят ватт электрической мощности нагревает элемент мгновенно. Чем эффективнее мы отведем тепло с горячий стороны, чем холоднее на другой.

Как видите, на самой поверхности модуля вода замерзает очень быстро, ну еще бы – столько энергии сжирает.

Но вернемся к нашему холодильнику. Спустя один час работы температура воздуха внутри упала до пятнадцати градусов, а у воды опустилась до 20. Удивило, что за час работы он съел четко 48 ватт. Через два часа у воздуха было 13 градусов, а у воды 17. И наконец, после трех часов работы температура воздуха остановилась на 13-ти градусах, а в стакане с водой была 15 и ниже 12 она уже не опустится. Ну так себе холодильник, учитывая что он был забит напитками не полностью. Но при этом этот монстр потребил 140 Ватт. Для домашней сети может и не много, но для автомобильного аккумулятора это уже весьма ощутимо. Поэтому здесь и стоит всего лишь один элемент. Потому что больше никакой аккумулятор просто не потянет. А это значит, что кпд такого модуля ничтожно мал – буквально считанные проценты, что опять же зависит от производителя. Такой холодильник больше напоминает хороший термос. Если бы взяли из дома холодные продукты, то он бы просто не позволил им быстро нагреться. Делать такие холодильники большими энергетически невыгодно.

В каких случаях Пельтье эффективен?

Кстати это относится и к самодельщикам,  пытающихся делать на этом принципе автомобильные кондиционеры. Есть более эффективные технологии, а вот использовать элементы Пельтье для охлаждения чего-то маленького и компактного – просто идеальное решение. Есть целый спектр таких устройств, например охлаждать процессоры или микросхемы различных малогабаритных приборов. В этом скорее всего и есть самый главный плюс таких элементов. Они миниатюрны и минимальны по весу. По сравнению с теми же фотоэлементами у Пельтье минусов конечно больше, ну а самый эффект безусловно заслуживает внимания. В конце концов все зависит от решаемых задач а если энергия халявная, то высокий КПД не так уж и важен.

До скольки градусов можно охладить элемент? Об этом в отдельном видео.

Заключение

Популярные среди радиолюбителей и инженеров модули Пельтье – электронные элементы, активно использующиеся для систем охлаждения и получения электроэнергии. На их основе разрабатываются источники питания для освещения или зарядки девайсов в походных условиях, мобильные компактные холодильники для автомобилей. Существуют попытки применения для охлаждения компьютерных процессоров. Работа устройств основана на 2 механизмах: при нагреве одной стороны пластины Пельтье и охлаждении второй, вырабатывается электроток; при подаче электричества на контакты одна сторона пластины охлаждается, вторая – нагревается.

принцип работы, области применения, сборка

В электротехнике используется много разных физических эффектов, процессов и свойств материалов. Достаточно вспомнить магнетизм, емкостные характеристики диэлектриков, сопротивление металлов прохождению тока. Определенный интерес представляют конструкции, содержащие связки двух полупроводников p- и n- типа, физические состояния которых, — под действием электрического тока — меняются. Речь идет об элементах Пельтье, названых так по имени первооткрывателя эффекта.

При подаче электроэнергии в устройство названого типа, место соприкосновения пластин разной энергетической проводимости нагревается или охлаждается в зависимости от направления движения тока. Причем разница температур может быть весьма велика и зависит в большей степени только от поступающего напряжения. Доступность конструкции позволяет изготовить самодельный элемент Пельтье даже в домашних условиях силами заинтересованного любителя электроники из вполне доступных материалов.

Самодельный холодильник с использованием элемента Пельтье:

Ниши применения аппарата довольно широки, от создания разогревающих поверхностей, до систем охлаждения процессоров, напитков или даже создания мини-холодильников. Единственный минус элемента — стоимость исходных материалов. Для миниатюрных конструкций еще можно найти необходимое их количество в компонентах электроники. В случае больших и соответственно мощных аппаратов, цена полупроводников будет дороже.

Теперь что касается выработки тока на биметаллических пластинах. Физическое явление ошибочно относят конкретно к элементам Пельтье, что не совсем точно соответствует истине. Изначально эффект открыт был Т. И. Зеебеком от фамилии которого и получил свое название. В проведенных исследованиях было выявлено, что в двух связанных проводниках из различных металлов (не обязательно p- и n- типа), для которых создается разница температур в отношении каждого, методом нагрева одного и охлаждением другого, возникает электрический ток. Правда, КПД процесса выше у полупроводниковой конструкции, больше напоминающей классический элемент Пельтье.

Генератор на основе эффекта Зеебека:

К сожалению, несмотря на видимые преимущества термических генераторов, производящих электричество и работающих на основе эффекта Зеебека, широкого распространения они не получили. Во всем виновата изначальная цена материалов, от которых непосредственно зависит коэффициент полезного действия на каждую единицу площади устройства. Кроме того, не стоит забывать о разнице температур, резкость которой в природе получить достаточно сложно. Есть конечно варианты, когда генератор названого типа работает на принудительном нагреве одной пластины и охлаждении другой. Причем первое действие производится не только за счет сгорания ископаемого топлива, но и к примеру, при распаде радиоактивных элементов или воздействия солнечных лучей. К сожалению, мощность таких устройств относительно мала по сравнению с энергозатратами, нужными для конечного производства тока. Классические виды генераторов в названом случае более эффективны при весьма солидной экономии топлива, необходимого для работы, или же при слабом действии природных факторов.

Еще один генератор, использующий тепло для питания слабого потребителя:

Краткая история открытия и обоснование физики работы

В основе работы элемента Пельтье находится физический принцип прохождения тока через две соприкасающиеся пластины, изготовленные из материалов с различными уровнями энергии тока прохождения, или другими словами — полупроводниками отличающихся типов. В месте их соединения будет наблюдаться нагрев при подаче тока в одну сторону, и понижение температуры при движении его в обратную.

Открыт эффект был еще в 18 веке Жан-Шарлем Пельтье, который получил его случайно, соединив контакты из висмута и сурьмы от источника тока. Капля воды, находящаяся в точке соприкосновения, превратилась в лед, что и вызвало интерес исследователя. Практическое применение открытие не получило по причине слабой распространенности электротехники в указанный период времени. Вспомнили о нем уже позднее, в век развития микроэлектроники, компонентам которой нужно было миниатюрное охлаждение, желательно без жидкостей и подвижных частей (насосов, вентиляторов и прочих).

Продаваемые сборки элементов Пельтье:

Элемент Пельтье можно создать не только из полупроводников. Но, к сожалению, эффект от использования различных проводящих металлов будет ниже, и практически полностью потеряется за счёт нагревания их в месте соприкосновения и общей теплопроводности материала.

Внутреннее устройство элемента Пельтье:

В общем виде конструкция выглядит как набор электродов кубической формы, изготовленных из полупроводников n- и p-типа. Каждый из них соединен с противоположными проводящими контактами, а все указанные пары соединены между собой последовательно. Причем расположение элементов выполняется так, чтобы связующие металлы между сборками полупроводников одного типа, соприкасались с первой стороной устройства в общем, а второго с противоположной. Сами p- и n- кубы зачастую изготавливаются из теллурида висмута и сплава кремния с германием. Соединительные контакты обычно из меди, алюминия или железа. Здесь главное требование — хорошая теплопроводность. Количество же пар в одной конструкции не ограничивается, и чем их больше, тем эффективнее работает элемент Пельтье. При подаче напряжения на сборку одна ее сторона нагревается, вторая охлаждается.

Принципиальная схема соединений в элементе Пельтье:

Годом нахождения обратного эффекта, выражающегося в выработке тока при охлаждении и нагреве соединенных проводников из разных металлов, принято считать 1821. Открытие было сделано Т. И. Зеебеком, который уже на следующий год опубликовал его в статье, предназначенной для Прусской академии наук, с названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».

Хотя согласно его работе, система генерации действует не только при использовании полупроводников, с ними ее КПД намного выше.

Элемент Пельтье, предназначенный целям генерации тока:

Где применяется

Миниатюрность настоящих элементов и относительно низкое их энергопотребление, — вкупе с отсутствием движущихся частей или различных жидкостей, применяемых в целях переноса тепла — предоставляет широкий спектр ниш использования. Сюда входят автомобильные кондиционеры, системы охлаждения микросхем и элементов электроники, мини-холодильники, подставки поддерживающие определенную температуру размещенных сверху емкостей. Кроме названых используется оборудование на элементах Пельтье в специфичных сферах, на подобии ПЦР-амплификаторов, нагревающихся систем вспышки фотоаппаратов, телескопах (для снижения теплового шума) и приемниках излучения инфракрасных устройств.

Реже можно заметить настоящий элемент в роли части конструкции генераторов. Хотя на рынках периодически всплывают аппараты аналогичного класса, к примеру, в виде фонариков, работающих от тепла человеческого тела или слабых машин, производящих электрический ток в целях подзарядки аккумуляторов смартфонов или ноутбуков.

Напряжение, получаемое на выходе элементов Пельтье:

Достоинства и недостатки

Как уже говорилось ранее, основным плюсом элементов Пельтье служит их миниатюрность, вкупе с отсутствием движущихся частей и агрегатных сред, используемых для передачи температуры. Соответственно, нет различных вентиляторов и насосов, хотя первые и могут использоваться для создания более быстрой конвекции тепла устройства и внешней среды. Кроме названых можно вспомнить простоту конструкции, которую в принципе может повторить каждый, изготовив элемент Пельтье своими руками.

Есть и минусы, основным из которых можно назвать низкий КПД, требующий повышения силы тока для создания действительно значимой разницы температур между горячей и холодной частью.

Эффект охлаждения достигаемый при использовании элементов Пельтье:

Элементы Пельтье своими руками

Получив теоретические знания о функционировании биметаллического устройства, пора перейти к тому, как сделать элемент Пельтье своими руками. Вот только сначала нужно выбрать нишу его применения. Хотя бы потому, что использовать устройство можно для охлаждения чего-либо, нагрева, или в качестве генератора с целью выработки электроэнергии. Последний вариант предпочтительнее по причине ненужности большого количества исходных материалов, хотя бы потому что многовольтное и высокоамперное устройство изготовить в любом случае сложно, особенно дома, ну а для целей подзарядки чего-либо подойдет и меньший его вариант. Хотя лучше купить готовый элемент Пельтье требуемой мощности с торговых интернет-площадок, чем заниматься его изначальным и достаточно невыгодным изготовлением.

Из диодов и транзисторов

Фактически любой элемент Пельтье представляет собой гирлянду из последовательно соединенных диодов, работающих в режиме пробоя. В сущности, любой электронный компонент, пропускающий ток в одном направлении и препятствующий его прохождению в обратном, построен на принципах соединения полупроводников p-n типа. Что в свою очередь наводит на мысли о схожести системы на искомую конструкцию, аналогичную той, которую имеет модуль Пельтье. Если брать во внимание диоды с пластмассовой оболочкой (включая излучающие свет), мешает доступу к самим контактным пластинам из разных металлов только сам корпус устройства.

Вот они, две пластины полупроводника в прозрачном диоде:

Случай транзисторов аналогичен, конечно учитывая то, что в большинстве из них три контакта, два из полупроводника одного типа и один (меньший) другого. Хотя избавиться от корпуса, если он металлический, проще, что довольно распространено у элементов названого типа — достаточно срезать верхнюю крышку и получить доступ к открытым контактным пластинам.

Металлический транзистор со снятой крышкой:

Саму процедуру избавления от корпуса возложим на читателей, с рекомендацией попробовать нагрев, кислоту или механическое снятие преграды. Что касается соединения контактных площадок, здесь некоторые фанаты, судя по имеющейся информации, использовали меднение их верхушек электрическим методом. Впоследствии к подготовленным участкам осуществлялась пайка проводящих контактов.

После получения требуемых металлов, главное, что нужно помнить при их подключении — направление прохождения тока и последовательное соединение, выглядящее, как p-n-p-n-p-n, учитывая тип полупроводников. Кроме того, чем больше будет использовано элементов в конструкции, вне зависимости от их размера, тем и выше КПД получившегося генератора или устройства создающего тепло вместе с холодом.

В окончании

Статья полностью объясняет, как работает элемент Пельтье и можно ли его повторить своими руками, используя только доступные материалы. Целесообразность самоличной сборки в практических целях оставляем на совести интересующихся вопросом. Хотя устройство, сделанное лично, безусловно более полно удовлетворит внутреннего любителя все делать самостоятельно, в отличие от покупного.

Видео по теме

Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект

Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).

Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются. Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье. Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств. При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.

1 — Изолятор керамический
2 — Проводник n — типа
3 — Проводник p — типа
4 — Проводник медный

В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.

Принцип действия

Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости. При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются. При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.

Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:

• Свойства металла.
• Температуры среды.

Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.

На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.

Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.

При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.

Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.

Сфера использования

Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.

Вот их некоторые области использования:

• Устройства ночного видения.
• Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
• Телескопы с охлаждением.
• Кондиционеры.
• Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
• Холодильники.
• Кулеры для воды.
• Автомобильные холодильники.
• Видеокарты.

Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.

В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств. Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.

Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.

Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.

Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД. Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление. Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.

Обратный эффект элементов Пельтье

Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.

Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.

Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры. А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.

Преимущества и недостатки

Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:

• Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
• Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
• Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
• При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.

Недостатками можно назвать такие моменты:

• Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
• Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.

Как изготовить элементы Пельтье для холодильника

Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.

Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.

Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору. После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.

Другие применения термоэлектрических модулей

Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.

Основные места использования модулей:

• Охлаждение микропроцессоров.
• Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
• В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.

Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока. Это называется обратимым эффектом.

Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.

Похожие темы:

Модуль на элемент Пельтье + интересное применение.

Приветствую тебя читатель banggood астрологи объявили неделю Пельтье поэтому в обзоре речь пойдёт об одном интересном применении данной штуковины. Милости просим под CUT.

Начнём с ликбеза

Как говорит википедия «Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.» Я уверен что после этой фразы понятнее не стало ).

Ок попробуем иначе. Представьте себе специфический аквариум, состоящий из зон двух типов. В первой зоне аквариума рыбки плавают быстро во второй медленно. Ещё представим себе на границах зон лопасти, крутящиеся в воде. Правила следующие 1) рыбка переплывает в другую зону только тогда когда её скорость соответствует скорости установленной для зоны.2) при переходе границ зоны рыбка может взаимодействовать с лопастями для увеличения либо для уменьшения своей скорости. Теперь представим несколько зон расположенных последовательно. (зоны с более высокой скоростью назовём З+ с низкой З- ) Рыбка находится в З+ она хочет перейти в З- она взаимодействует с лопастью на границе и начинает плыть медленнее, при этом лопасти (на границе З+/З-) начинают крутиться быстрее. Далее рыбка хочет перейти в следующую зону З+ ей надо ускориться она взаимодействует с лопастью на границе З-/З+ и ускоряется при этом лопасть начинает крутиться медленнее. Далее всё повторяется. Можно заметить что одни лопасти будут замедлятся а другие ускорятся. Элемент Пельтье работает по аналогичному принципу. Вместо рыбок там электроны вместо скорости рыбок энергия электронов в полупроводниках. При протекании тока через контакт 2х полупроводников, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, При этом чем больше ток тем выше эффект переноса энергии, энергия именно переноситься (а не волшебным образом пропадает) от «холодной» стороны к «горячей», поэтому элемент Пельтье способен охлаждать предметы до температуры ниже комнатной (проще говоря это полупроводниковый тепловой насос). Если у Вас задача просто отвести тепло от процессора транзистора и т.д. применение элемента Пельтье невыгодно т.к. Вам понадобиться Радиатор способный передать в окружающую среду тепло от охлаждаемого объекта + тепло возникающее при работе элемента Пельтье. Думаю с теорией покончено можно двигаться дальше.
Давайте посмотрим как по мнению спонсора обзора выглядит 13,90 зелени.
Модуль представляет из себя этакий 5 уровневый бутерброд, он состоит из пары радиаторов и вентиляторов и собственно самого элемента Пельтье.Вентилятор большего размера предназначен для отвода тепла. При приложении усилия его можно снять без выкручивания шурупов. Вентилятор самый обыкновенный ( Питание 12В размер 90мм) прикрыт решёткой, изначально вентилятор установлен на отвод воздуха.На противоположной стороне малый вентилятор (Питание 12В размер 40мм)Малыш прикручен на совесть Посмотрим на радиаторыБольшой радиатор размером 100мм*120мм высота 20ммМалый радиатор 40мм*40мм высота 20мм. Радиаторы скреплены двумя винтами, в малом радиаторе нарезана резьба. При снятии радиатора обнаружена термопаста это хорошо, но можно увидеть что есть недожим.Контакт с большим радиатором идеальным тоже не назовёшь.Главный вывод — если хотите выжать из этого модуля максимум то обязательно загляните под радиаторы. А если стереть термопасту то можно увидеть что тут установлен элемент TEC1-12705 (размер 40мм*40мм*4мм) хотя заявлен более мощный TEC1-12706. Мануал на TEC1-12705 peltiermodules.com/peltier.datasheet/TEC1-12705.pdf
Снимем малый радиатор и попробуем запустить модуль замерив температуры «тёплой» и «холодной» сторон.Температура «холодной» стороны -16,1 «горячей» 37,5 дельта 53,6. ток потребления при 12В составил 4,2А. На режим элемент Пельтье вышел через 90с.

А теперь весёлая часть.
Находим металлическую и блестящую пластину и делаем в ней отверстие для термопары.Кладём термопасту и устанавливаем термопаруДалее изготавливаем узконаправленный фотоприёмник и фотодиод из чёрной бумаги и обычных компонентовСобираем готовое устройство вспоминая правило «угол падения равен углу отражения»Кто догадался что это такое? Это прибор (ну точнее модель для демонстрации принципа действия) для определения температуры точки росы/относительной влажности воздуха. Действует следующим образом: ИК-светодиод светит в отражающую пластинку, после отражения свет от ИК-светодиода попадает на ИК-фотодиод. С обратносмещённого ИК-фотодиода снимается сигнал напряжения. При охлаждении пластинки до температуры точки росы на ней начинает собираться конденсат, интенсивность отражаемого излучения падает, сигнал на фотодиоде изменяется. Регистрируя температуру пластины, и окружающего воздуха можно найти относительную влажность. Для работы я использовал Brymen BM869 (с самодельным кабелем и софтом) и Uni-t UT61E Ниже представлен результат Рыжий график температура пластины, синий график сигнал с фотодиода. Будем считать момент, когда напряжение с фотодиода изменилось на половину от общего изменения напряжения есть момент выпадения конденсата. Исходя из поставленных условий измеренная температура точки росы в комнате +9С.Температура окружающего воздуха 26,7 (на графиках не отображалась т.к. она была неизменна).Одновременно я запустил модуль HTU21 и наблюдал за показаниями в терминале.(скриншот терминала добавлен к графику).Далее я использовал онлайн калькулятор planetcalc.ru/248/ для пересчёта влажности в температуру точки росы Результат пересчёта влажности с HTU21 в температуру точки росы совпал с измеренной напрямую температурой точки росы. Это значит, что если описанным выше методом определять точку росы, а затем делать пересчёт, то можно достаточно точно определять влажность (Ну естественно если делать всё по-взрослому). Данный метод называется методом охлаждаемого зеркала, а гигрометры, построенные на таком принципе, называются конденсационными. Надеюсь вам понравился обзор, и Вы узнали для себя что-то новое. Всем спасибо за внимание.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Эффект пельтье

Содержание

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………3

1. ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ………………………………………………………4

1.1. История открытия……………………………………………………….4

1.2. Теоретическое обоснование эффекта Пельтье…………………………6

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА  ПЕЛЬТЬЕ…………………………………14

2.1. Модули Пельтье………………………………………………………..14

2.2.Особенности эксплуатации модулей Пельтье…………………………19

2.3. Полупроводниковые холодильники Пельтье………………………..23

2.4. Применение эффекта Пельтье………………………………………..27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..30

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………….32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Научная мысль обладает способностью опережать время. Открытия, сделанные ученными, позволяют будущим поколениям, руководствуясь ими, создавать улучшающие жизнь человека приборы и приспособления; находить новые способы защиты его здоровья и благополучия. Череда научных открытий в «великое десятилетие» начала девятнадцатого века заложила предпосылки для овладевания термоэлектричеством, безусловно, перспективнейшим направлением энергетики будущего. И явление, открытое в 1834 году часовщиком Жаном-Шарлем Пельтье и названное позже «Эффектом Пельтье», не стало исключением. Поэтому эффект, имевший место в начале XIX века, актуален и сейчас.

Возможности его применения неограниченны. Множество лабораторий  и исследовательских центров занимаются разработкой способов его применения, потому что открытие, сделанное французским ученым, позволяет сделать жизнь человека комфортной, красочной, а блага цивилизации – доступными широкому кругу потребителей.

Отрадно, что научные направления в этой области постоянно развиваются, и российские ученые находятся в авангарде этих исследований. 

В данной курсовой работе мы рассмотрим явление Пельтье и  его применение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ

 

1.1. История открытия

 

 

 В начале 19 века основные научные направления и теории еще только формировались, а основной движущей силой были всевозможные эксперименты, которые проводились настоящими энтузиастами своего дела, в основном, в кустарных условиях и на доморощенной инструментальной базе.      

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году.

Начав работать в часовой мастерской в 15 лет, в возрасте 21 года он уже открывает в Париже собственный магазин и в том же 1806 году женится на Милли Дюфон. А за 20 лет до предстоящего открытия Пельтье получил небольшое наследство, по родственной линии жены, позволившее ему полностью отказаться от необходимости зарабатывать на хлеб насущный и посвятить все свое время любимому делу — экспериментальной физике, анатомии, метеорологии и ряду других направлений естествознания.

        При проведении  одного из экспериментов он  пропускал электрический ток  через полоску висмута, с подключенными  к ней медными проводниками (рис. 1.)

 

                   

Рисунок 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье

 

 В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое – остывает, т.е. он обнаружил, что проходящий через спай разнородных металлов ток создает разность температур между спаем и свободными концами проводников.

 Причем, если нагрев проводников при прохождении тока к тому времени уже был вполне объясним (закон Джоуля), то охлаждение ниже температуры окружающей среды казалось чудом. Впрочем, чудом было и то, что Пельтье удалось увидеть эту разницу на металлической паре, так как она не могла превышать пары градусов. Но Пельтье так и не смог понять и объяснить суть происходящего.

Истинный смысл явления  был позже объяснен в 1838г. Ленцем.

В своём опыте Ленц экспериментировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока — таяла. Тем самым было установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом — поглощается. Данное явление было названо эффектом Пельтье.

 К слову, сегодня, без мультиметра и заводских электрических элементов или блоков питания, не многие, даже вооруженные знаниями и описанием термоэлектрических эффектов, смогут повторить опыт Пельтье 175-летней давности.  
    Но наука шла вперед, и, в скором времени, появилась теория, описывающая термоэлектрические эффекты (Ленц) и некоторые недостающие звенья (Томсон, более известный как лорд Кельвин). В начале 20 века немецкий инженер Альтенкирх развил теорию и ввел понятия холодильного коэффициента и Z-эффективности, показав, что эффект Пельтье на металлических спаях, ввиду достижимой разницы температур всего в несколько градусов, не пригоден для практического применения. И только спустя несколько десятков лет, прежде всего усилиями академика А. Иоффе и разработанной им теории твердых растворов, были теоретически и практически получены результаты, давшие импульс широкому практическому применению эффекта Пельтье.

 

1.2.Теоретическое обоснование эффекта Пельтье

 

  Из курса физики мы знаем, что ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Под заряженными частицами обычно понимаются свободные электроны, а упорядоченность возникает при подключении источника электродвижущей силы, переводящей электроны из хаотического теплового (броуновского) движения в более осмысленное, с человеческой точки зрения. Впрочем, броуновское движение не прекращается и с появлением электрического тока. Лучшими проводниками тока при комнатной температуре являются металлы.

   Кроме металлов в природе существуют  диэлектрики — вещества, плохо проводящие электрический ток. Это не значит, что в диэлектриках нет свободных электронов — их, в кубическом сантиметре даже самых лучших изоляторов, может быть сотни триллионов! И все же этого недостаточно для возникновения явления проводимости. Вещество становится проводящим, когда концентрация носителей тока увеличивается еще в тысячи раз, такую проводимость имеют полупроводники, а подняв удельное число носителей на пару порядков, получаем полуметаллы (сильно легированные полупроводники, или твердые растворы), дальнейшее увеличение концентрации носителей характеризует уже настоящие проводники — металлы.

Термоэдс  определяет энергию, которую электрон «прокачивает» через контакт двух разнородных материалов. Для эффективности переноса энергии необходимо иметь высокую проводимость материала σ (или низкое удельное сопротивление ρ = 1 / σ) и низкую теплопроводность, чтобы кристаллическая решетка не взаимодействовала с электронами (взаимодействие = энергообмен).

Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства – это эффективность  охлаждения (или «добротность»):

 

                                    Z=a²/(ρ l),          ( Z = α²σ /l),

 

где a – коэффициент термоэдс;

ρ – удельное сопротивление;

σ — удельная электрическая проводимость

l – удельная теплопроводность полупроводника, состоящая из теплопроводностей кристаллической решетки и электронов.

Параметр Z – функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Введение в полупроводник тех или иных примесей – основное доступное средство изменять его показатели (a, ρ, l) в желательную сторону. 
     Выбор вещества в качестве термоэлектрика, в котором с нужными качествами сочетаются все три параметра, оказался нетривиальной задачей. Для начала 20 века доступны были только металлы, не обладающие высокой добротностью и не позволившие получать практическую пользу от эффектов термоэлектричества, за исключением, пожалуй, использования термопар для измерительных целей.

   Другими словами, в металлах много свободных электронов, но переносимая ими энергия мала, что дает общий слабый эффект. В диэлектриках переносимая энергия может быть большой, но число их относительно невелико, что также не обеспечивает нужного эффекта. Нужно было найти или изготовить искусственным способом золотую середину. Материалы, обладающие нужными качествами, были получены в середине 20 века, прежде всего, благодаря усилиям А.Иоффе. Ими оказались полуметаллы, к примеру, псевдобинарные непрерывные твердые растворы на основе теллуридов висмута или сурьмы, широко используемые и в настоящее время в ТЭМ с рабочими температурами, близкими к комнатной. Твердые растворы, несколько уменьшая составляющую α²σ, по сравнению с отдельными компонентами, в несколько раз снижают теплопроводность кристаллической решетки, тем самым увеличивая итоговую добротность термоэлектрика.  
      В популярной литературе термин «полуметаллы» встречается редко и заменяется на «полупроводник», мы также в дальнейшем будем называть вещество термоэлектрика полупроводником. Впрочем, это не сильно искажает истину, так как, при T = 1000K, эффективно работает пара из «настоящих полупроводников» германий-кремний.  

Причины появления эффекта Пельтье связаны, как и все в этом мире, с энергообменными процессами. Детали процессов в опыте с металлическими спаями, который ставил Пельтье много лет назад, и тех, что происходит в современных ТЭМ, различаются, поэтому упрощенно рассмотрим современную конструкцию, состоящую из батареи полупроводников p- и n-типов.  
        Любая система, без воздействия внешних сил, стремится к равновесию, применительно к местам соприкосновения полупроводников с разным типом проводимости (так называемой электронной и дырочной, хотя не следует забывать, что «дырок», как физических носителей, не существует) это означает, что на границе веществ образуется «потенциальный барьер», или контактная разность потенциалов, препятствующая прохождению свободных носителей из одного типа полупроводника в другой (если их энергия ниже некоторого порога). Ввиду того, что имеется разброс энергетического состояния носителей, часть их может преодолевать этот барьер даже и без внешнего источника энергии, но этот процесс взаимен и происходит с обеих сторон спая и приводит к некоторому равновесному состоянию.  
 Равновесие можно нарушить, пропустив через спай (р-n переход) электрический ток, тем самым дав возможность большему числу электронов преодолевать контактную разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт идёт ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

  Рисунок 2.  Принцип работы ТЭМ.

 

Если плюс источника  подсоединен к полупроводнику р-типа, а минус — к полупроводнику n-типа, то свободные электроны на одном конце полупроводника n-типа будут перемещаться в сторону полупроводника р-типа, а на другом конце — перемещаться от р-n перехода. Соответственно, в полупроводнике р-типа аналогично «двигаются дырки», но в другом направлении (рис.2).

Тем самым создается  ситуация, когда на левом спае (от полупроводника n-типа) происходит постоянная встреча и рекомбинация основных носителей. В результате этой рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла и происходит нагрев соединения.

 А на правом — происходит формирование этих свободных носителей.  Здесь электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться, и наблюдается понижение температуры кристаллической решетки.  

Изменение полярности подключения источника питания приведет к эффекту смены теплового состояния — теперь нагреваться будет правый от полупроводника n-типа спай, а охлаждаться — левый.

В отличие от тепла  Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q = R·I²·t), тепло Пельтье пропорционально силе тока в первой степени (Q_П~I) и может быть выражено формулой:

                                        Q_п = П · q

где q — заряд прошедший  через контакт,

П — так называемый коэффициент  Пельтье.

Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томпсона: 
                                                П = a · T

где a — коэффициент Томпсона, 

T — абсолютная температура.

Коэффициент Пельтье, определяющий количество тепла Пельтье, выделяющегося  на контакте, зависит от природы контактирующих веществ и температуры контакта: П₁₂=a₁₂·Т=(a₁-a₂)·T, где a₁ и a₂ абсолютные коэффициенты термоэдс контактирующих веществ. Если для большинства пар металлов коэффициент термоэдс имеет порядок 10^-5-10^-4 В/К, то для полупроводников он может оказаться гораздо больше (до 1,5·10^-3 В/К).

обзор кулера Thermaltake SubZero 4G — Ferra.ru

Как уже говорилось, термодатчик на основании передает информацию контроллеру, и тот уже на основании этих и других (подозреваю, что термодатчик есть также и на самом элементе Пельтье, но его не видно) данных принимает решение о том, в каком режиме и с какой мощностью работать элементу Пельтье, и какое напряжение подать на вентилятор. Это могут быть как стандартные 12 В, так и два других, более низких напряжения: 6 и 8 В, при подаче которых скорость вентилятора, разумеется, сильно упадет, и шум, им издаваемый, тоже снизится. Контроллеру можно запретить снижать скорость вращения — для этого и предусмотрена кнопка переключения режимов работы, коих, собственно, всего два: Power mode (всегда 4800 об/мин, достаточно шумный режим), и Silent mode, в котором скорость вращения определяется контроллером (и шестивольтовый, и восьмивольтовый режимы — очень тихие). Кнопка висит на отдельном проводе, и может быть вынесена на переднюю панель корпуса и подведена, например, под кнопку Turbo, если она у кого-нибудь еще осталась.

Кстати, фанаты тишины могут успокоиться, и идти в магазин за системой водяного охлаждения Thermaltake  Aquarius II (http://www.ferra.ru/online/supply/25229/) — более тихим, чем обычные конвективные кулеры, термоэлектрическая система не будет никогда. Причина проста — к рассеиваемой процессором энергии добавляется энергия, потребляемая, и, соответственно, выделяемая самим элементом Пельтье. И всю эту энергию приходится отводить обычному радиатору, который для выполнения двойной работы, конечно же, должен быть более мощным, а значит, и более шумным. Кстати, по этой же причине радиатор будет иметь такие температуры, какие ему и не снились при работе непосредственно на процессоре — скажем, 90 градусов на горячей стороне элемента Пельтье, и, соответственно, внизу радиатора — это норма. Появление в корпусе источника тепла с такой неприемлемой для большинства окружающих элементов температурой и мощностью потребует пересмотра всей картины охлаждения — например, воздух из околопроцессорной зоны нужно будет выводить быстро и качественно, что потребует большего количества вентиляторов (лучше всего с воздухозаборником, направленным непосредственно на процессорный кулер — так горячий воздух будет выводиться максимально полно), и, соответственно, обеспечит дополнительный шум.

Поскольку прилагаемая карта — все же преобразователь питания, причем довольно мощный, некоторое количество энергии рассеивается непосредственно на ней. Проще говоря, «плата» греется, причем довольно сильно. И, хотя на ней нет никакого крепления, все же крайне желательно охлаждать ее хоть каким-нибудь вентилятором (снова дополнительный шум). Да и устанавливать вплотную к другим PCI-устройствам этот блок питания также не рекомендую — могут возникнуть проблемы с тепловым режимом этих устройств.

Дополнительный разъем питания служит для регулируемого подключения вентилятора. Его рабочее напряжение и, соответственно, режим работы будут совпадать с режимом работы вентилятора на процессоре. Сам 80-миллиметровый вентилятор также входит в комплект поставки. Моддеры будут рады — он подсвечивается тремя яркими синими светодиодами, и, поскольку его крылья прозрачны, эффект получается весьма интересный.

Тестирование проводилось в корпусе ElanVital P10 с одним дополнительным (на выход) вентилятором. Температура окружающей среды — 27 градусов, начальная температура воды — 20 градусов. Охлаждался процессор AMD Athlon 1400 Мгц, разогнанный изменением коэффициента умножения до частоты 1533 Мгц. Между сердечником и процессором лежала паста АлСил-3. Информация о температурах снималась со штатных датчиков системы, а также с помощью внешней термопары с помощью программы Motherboard Monitor 5.2.2.0. Нагружался процессор утилитой burnK7 из комплекта CPUBurn.

Объяснение плюсов, минусов и приложений эффекта Пельтье

Эффект Пельтье — важное явление при изучении термоэлектрического охлаждения и нагрева. Для лучшего понимания щелкните здесь, чтобы получить краткое объяснение эффекта Пельтье.

Знаете ли вы?

Эффект Пельтье не имел никакого практического значения в течение почти 100 лет, пока устройства из разнородных металлов не были заменены полупроводниками, способными создавать гораздо больший температурный градиент

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию.Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

В 1821 году немецкий ученый Томас Зеебек провел несколько экспериментов с электричеством. Он обнаружил, что электрический ток будет течь по цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при условии, что соединения, в которых соединяются эти проводники, поддерживаются при разных температурах. Однако Сибак не смог объяснить настоящую научную причину этого явления и ошибочно пришел к выводу, что текущее тепло производит тот же эффект, что и текущее электричество.

Позже, в 1834 году, Жан Пельтье, французский часовщик и физик по совместительству, анализируя эффект Зеебека, заметил, что тепло может поглощаться на одном стыке разнородных металлов и разряжаться на другом стыке той же цепи. Спустя двадцать лет после этого Уильям Томсон (лорд Кельвин) смог с научной точки зрения объяснить оба эффекта, эффект Зеебека и Пельтье, и доказать связь между ними.

Однако, как это ни было интересно, в то время это явление считалось не более чем просто лабораторным экспериментом.Затем, в 1930 году, когда российские ученые начали заново исследовать более ранние работы по термоэлектрическому эффекту, мировой интерес к этому явлению снова возник, что привело к разработке практических термоэлектрических устройств.

Эффект Пельтье называется обратным эффекту Зеебэка. Поэтому, чтобы понять, как работает эффект Пельтье, давайте сначала рассмотрим эффект Seeback.

Эффект Сибэка

Эффект Зеебака — это явление, при котором температурный градиент, возникающий между двумя переходами, образованными двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками, вызывает возникновение разности потенциалов между ними.Эта разность потенциалов позволяет электрическому току проходить через цепь. Таким образом, эффект Зеебэка утверждает, что температурный градиент заставляет электрический ток течь через цепь.

Математически, если (T1 — T2) представляет собой разность температур между двумя соединениями разнородных металлов, то, согласно эффекту Зеебека, она будет производить электродвижущую силу (напряжение), определяемую следующим образом:

E = α (Т1 — Т2)

Примечание : α — это дифференциальный коэффициент Зеебека или (коэффициент термоэлектрической мощности) между двумя проводниками / полупроводниками.Положительно, когда направление электрического тока совпадает с направлением теплового тока.

Эффект Пельтье

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Эффект Пельтье утверждает, что, когда электрический ток протекает через цепь, содержащую разнородные проводники, тепловая энергия поглощается одним переходом и разряжается на другом, делая первый более холодным, а второй — более горячим.Таким образом, в результате протекающего тока возникает тепловой градиент, что делает эффект Пельтье обратным эффекту Зеебака.

Эффект Пельтье

Если QC — это скорость охлаждения в ваттах, а QH — скорость нагрева в ваттах, I — это ток, протекающий через замкнутый контур.

QC или QC = β x I

Примечание : β — это дифференциальный коэффициент Пельтье между двумя материалами A и B в вольтах.

Эффект Пельтье можно проверить экспериментально, используя следующую установку:

Как показано, два куска медного провода подключены к двум клеммам батареи.Эти две части затем соединяются между собой с помощью висмутовой проволоки, что завершает настройку.

Замечено, что когда цепь замкнута, как описано выше, возникает температурный градиент, предсказанный эффектом Пельтье. В переходе, где ток проходит от меди к висмуту, температура повышается, а в переходе, где ток проходит от висмута к меди, температура падает.

Как работает эффект Пельтье?

Эффект Пельтье возникает из-за того, что средняя энергия электронов, участвующих в передаче электрического тока, различна для разных проводников.Это зависит от нескольких факторов, включая энергетический спектр электронов, их концентрацию в проводнике и их рассеяние под действием приложенного напряжения.

На стыке двух разнородных проводников электроны переходят от одного проводника к другому. В зависимости от направления потока электрического заряда эти электроны либо передают свою избыточную энергию окружающим атомам, либо поглощают энергию от них. Таким образом, в первом случае тепло рассеивается, а во втором — поглощается.

Недостатки

Основным недостатком эффекта Пельтье является то, что он неэффективен. Сам протекающий ток имеет тенденцию генерировать значительное количество тепла, которое добавляется к общему тепловыделению. В больших приложениях это приводит к чрезмерному нагреву, о котором необходимо позаботиться. Обычно для решения этой проблемы необходимо использовать дополнительные вентиляторы.

Этот эффект также требует большого количества электроэнергии, что может сделать его использование для крупномасштабных приложений очень дорогим.

Слишком сильное охлаждение компонентов устройств Пельтье может привести к конденсации, что может вызвать короткое замыкание.

Преимущества

Основное преимущество эффекта Пельтье заключается в том, что он позволяет нам создавать охлаждающие / нагревательные устройства, которые не имеют движущихся частей и, следовательно, имеют гораздо меньшую вероятность выхода из строя по сравнению с обычными охладителями и нагревателями. Они также почти не требуют обслуживания.

Устройства

Пельтье работают бесшумно и теоретически могут достигать низких температур до -80 ° C (-176 ° F).

Эффект Пельтье можно эффективно использовать на микроскопическом уровне, где обычные методы охлаждения не работают.

Применение эффекта Пельтье

Эффект Пельтье используется для создания устройств Пельтье. Это твердотельные устройства, которые используют этот эффект для охлаждения или нагрева. Обычно используемые устройства включают нагреватель Пельтье, тепловой насос, охладитель и твердотельный холодильник.

Когда через устройство Пельтье протекает постоянный ток, тепло проходит от одной стороны устройства к другой, позволяя ему действовать как нагреватель или охладитель.Все устройства Пельтье работают таким образом, передавая тепло от одной стороны устройства к другой против температурного градиента с помощью электрического тока.

Ниже приведены несколько вариантов использования устройств Пельтье:

Удаление воды : Эффект Пельтье используется в осушителях для удаления воды из воздуха.

ДНК-синтез : термоциклер использует этот эффект для процесса синтеза ДНК.

Космические аппараты : Эффект Пельтье используется в космических аппаратах для уравновешивания эффектов солнечного света с обеих сторон корабля.Он помогает рассеивать тепло, выделяемое прямым солнечным светом с одной стороны космического корабля, на другую сторону, которая не получает солнечного света, и поэтому намного прохладнее.

Effekt — Lexikon der Physik

Mitarbeiter Band I und II

Редакция:

Silvia Barnert
Dr. Matthias Delbrück
Dr. Reinald Eis
Natalie Fischer
Walter Greulich (Schriftleiter)
Carsten Heinisch
Sonja Nagel
10 Dr. Benz
Dr.Joachim Schüller

Mitarbeiter Band III

Редакция:

Christine Weber
Ulrich Kilian

Autoren (A) und Berater (B):

In eckigen Klammern steht das Autorenkürzelgemer in die ist Zahürzel Eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Катя Баммель, Берлин [KB2] (A) (13)
Проф. Д-р В. Баухофер, Гамбург (B) (20, 22)
Sabine Baumann, Heidelberg [SB] (A) (26)
Dr. Гюнтер Байкерт, Фирнхайм [GB1] (A) (04, 10, 25)
Проф.Д-р Ханс Беркхемер, Франкфурт [HB1] (A, B) (29)
Проф. Д-р Клаус Бетге, Франкфурт (B) (18)
Проф. Тамаш С. Биро, Будапешт [TB2] (A) (15)
Д-р Томас Бюрке, Лаймен [ТБ] (A) (32)
Анжела Бурхард, Генф [AB] (A) (20, 22)
Д-р Маттиас Дельбрюк, Доссенхайм [MD] (A) (12, 24, 29)
Д-р Вольфганг Айзенберг, Лейпциг [WE] (A) (15)
Д-р Франк Эйзенхабер, Гейдельберг [FE] (A) (27; Essay Biophysik)
Д-р Роджер Эрб, Кассель [RE1] (A) (33)
Д-р Анжелика Фаллерт-Мюллер, Грос-Циммерн [AFM] (A) (16, 26)
Д-р.Андреас Фолстих, Оберкохен [AF4] (A) (Essay Adaptive Optik)
Проф. Д-р Рудольф Фейле, Дармштадт (B) (20, 22)
Стефан Фихтнер, Доссенхайм [SF] (A) (31)
Д-р Томас Фильк, Фрайбург [TF3] (A) (10, 15)
Натали Фишер, Доссенхайм [NF] (A) (32)
Проф. Доктор Клаус Фреденхаген, Гамбург [KF2] (A) (Essay Algebraische Quantenfeldtheorie)
Thomas Fuhrmann, Heidelberg [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Heidelberg [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22; Essay Datenverarbeitungssysteme künftiger Hochenergie- und Schwerionen-Experimente)
Доктор.Харальд Генз, Дармштадт [HG1] (A) (18)
Майкл Гердинг, Кюлунгсборн [MG2] (A) (13)
Андреа Грейнер, Гейдельберг [AG1] (A) (06)
Уве Григолейт, Гёттинген [UG] ( A) (13)
Проф. Д-р Майкл Гродзицки, Зальцбург [MG1] (A, B) (01, 16; Essay Dichtefunktionaltheorie)
Проф. Д-р Hellmut Haberland, Фрайбург [Hh5] (A) (Essay Clusterphysik)
Д-р Андреас Хейльманн, Хемниц [Ah2] (A) (20, 21)
Карстен Хайниш, Кайзерслаутерн [CH] (A) (03)
Д-р Герман Хинш, Гейдельберг [Hh3] (A) (22)
Йенс Хёрнер , Ганновер [JH] (A) (20)
Dr.Дитер Хоффманн, Берлин [Dh3] (A, B) (02)
Ренате Ересич, Гейдельберг [RJ] (A) (28)
Доктор Ульрих Килиан, Гамбург [Великобритания] (A) (19)
Томас Клюге, Майнц [TK] (A) (20)
Ахим Кнолль, Штрасбург [AK1] (A) (20)
Андреас Кольманн, Гейдельберг [AK2] (A) (29)
Д-р Барбара Копфф, Гейдельберг [BK2] (A) (26)
доктор Бернд Краузе, Карлсруэ [BK1] (A) (19)
Ральф Кюнле, Гейдельберг [RK1] (A) (05)
Доктор Андреас Марквиц, Дрезден [AM1] (A) (21)
Хольгер Матизик, Бенсхайм [HM3] (A) (29)
Матиас Мертенс, Майнц [MM1] (A) (15)
Dr.Дирк Мецгер, Мангейм [DM] (A) (07)
Д-р Руди Михалак, Warwick, UK [RM1] (A) (23)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09; Essay Akustik)
Guenter Милде, Дрезден [GM1] (A) (12)
Марита Милде, Дрезден [MM2] (A) (12)
Доктор Кристофер Монро, Боулдер, США [CM] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr Андреас Мюллер, Киль [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
Доктор Николаус Нестле, Регенсбург [NN] (A) (05)
Доктор Томас Отто, Genf [TO] (A) (06; Essay Analytische Mechanik)
Проф.Д-р Гарри Пол, Берлин [HP] (A) (13)
Кандидат. Phys. Кристоф Пфлум, Карлсруэ [CP] (A) (06, 08)
Проф. Д-р Ульрих Платт, Гейдельберг [UP] (A) (Essay Atmosphäre)
Д-р Оливер Пробст, Монтеррей, Мексика [OP] (A) ( 30)
Доктор Роланд Андреас Пунтигам, Мюнхен [RAP] (A) (14; Essay Allgemeine Relativitätstheorie)
Доктор Гуннар Радонс, Мангейм [GR1] (A) (01, 02, 32)
Профессор доктор Гюнтер Радонс , Штутгарт [GR2] (A) (11)
Оливер Раттунде, Фрайбург [OR2] (A) (16; Essay Clusterphysik)
Dr.Карл-Хеннинг Ререн, Геттинген [KHR] (A) (Essay Algebraische Quantenfeldtheorie)
Ингрид Рейзер, Манхэттен, США [IR] (A) (16)
Доктор Уве Реннер, Лейпциг [UR] (A) (10)
Д-р Урсула Реш-Эссер, Берлин [URE] (A) (21)
Проф. Д-р Герман Ритшель, Карлсруэ [HR1] (A, B) (23)
Д-р Питер Оливер Ролл, Майнц [OR1] (A , B) (04, 15; Essay Distributionen)
Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
Доктор Маргит Сарстедт, Ньюкасл-апон-Тайн, Великобритания [MS2] (A) (25)
Rolf Sauermost , Вальдкирх [RS1] (A) (02)
Проф.Доктор Артур Шарманн, Гиссен (B) (06, 20)
Доктор Арне Ширмахер, Мюнхен [AS5] (A) (02)
Кристина Шмитт, Фрайбург [CS] (A) (16)
Кандидат. Phys. Йорг Шулер, Карлсруэ [JS1] (A) (06, 08)
Д-р Йоахим Шуллер, Майнц [JS2] (A) (10; Essay Analytische Mechanik)
Проф. Д-р Хайнц-Георг Шустер, Киль [HGS] ( A, B) (11; Essay Chaos)
Ричард Швальбах, Майнц [RS2] (A) (17)
Проф. Д-р Клаус Штирштадт, Мюнхен [KS] (A, B) (07, 20)
Корнелиус Сухи, Брюссель [CS2] (A) (20)
Уильям Дж.Томпсон, Чапел-Хилл, США [WJT] (A) (Essay Computer in der Physik)
Д-р Томас Фолькманн, Кёльн [TV] (A) (20)
Dipl.-Geophys. Рольф фон Штайн, Кельн [RVS] (A) (29)
Патрик Фосс-де Хаан, Майнц [PVDH] (A) (17)
Томас Вагнер, Гейдельберг [TW2] (A) (29; Essay Atmosphäre)
Манфред Вебер, Франкфурт [MW1] (A) (28)
Маркус Венке, Гейдельберг [MW3] (A) (15)
Проф. Д-р Дэвид Вайнленд, Боулдер, США [DW] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Д-р Харальд Вирт, Сен-Жени-Пуйи, Ф [HW1] (A) (20) Штеффен Вольф, Фрайбург [ЮЗ] (A) (16)
Д-р.Michael Zillgitt, Франкфурт [MZ] (A) (02)
Проф. Д-р Хельмут Циммерманн, Йена [HZ] (A) (32)
Д-р Кай Зубер, Дортмунд [KZ] (A) (19)

Mitarbeiter Band IV

Доктор Ульрих Килиан (verantwortlich)
Кристин Вебер

Redaktionsassistenz:

Matthias Beurer

Physikhistorische Beratung:

Priv.-Doz. Д-р Дитер Хоффманн, Берлин

Autoren (A) und Berater (B):

In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; Eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Маркус Аспельмейер, Мюнхен [MA1] (A) (20)
Доктор Катя Баммель, Кальяри, I [KB2] (A) (13)
Doz. Д-р Ханс-Георг Бартель, Берлин [HGB] (A) (02)
Штеффен Бауэр, Карлсруэ [SB2] (A) (20, 22)
Д-р Гюнтер Байкерт, Фирнхайм [GB1] (A) (04, 10 , 25)
Проф. Д-р Ханс Беркхемер, Франкфурт [HB1] (A, B) (29)
Д-р Вернер Биберахер, Гархинг [WB] (B) (20)
Проф. Тамаш С. Биро, Будапешт [TB2 ] (A) (15)
Проф. Доктор Хельмут Бокемейер, Дармштадт [HB2] (A, B) (18)
Dr.Ульф Боргест, Гамбург [UB2] (A) (Essay Quasare)
Д-р Томас Бюрке, Лаймен [TB] (A) (32)
Йохен Бюттнер, Берлин [JB] (A) (02)
Д-р Маттиас Дельбрюк, Доссенхайм [MD] (A) (12, 24, 29)
Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
Dr Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
Dr Wolfgang Eisenberg , Лейпциг [WE] (A) (15)
Д-р Франк Эйзенхабер, Вена [FE] (A) (27)
Д-р Роджер Эрб, Кассель [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
ДокторКристиан Эйрих, Бремен [CE] (A) (Essay Neuronale Netze)
Д-р Анжелика Фаллерт-Мюллер, Грос-Циммерн [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31 )
Д-р Томас Филк, Фрайбург [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Натали Фишер, Вальдорф [NF] (A) (32)
Д-р Harald Fuchs, Münster [HF] (A) ( Essay Rastersondenmikroskopie)
Доктор Томас Фурманн, Мангейм [TF1] (A) (14)
Кристиан Фульда, Ганновер [CF] (A) (07)
Доктор Харальд Генз, Дармштадт [HG1] (A) (18)
Майкл Гердинг, Кюлунгсборн [MG2] (A) (13)
Проф.Д-р Герд Грассхофф, Берн [GG] (A) (02)
Андреа Грейнер, Гейдельберг [AG1] (A) (06)
Уве Григолейт, Вайнхайм [UG] (A) (13)
Проф. Д-р Майкл Гродзицки , Зальцбург [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [Ah2] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Д-р Кристоф Хайнце, Гамбург [Ch4] (A) (29)
Д-р Марк Хембергер, Гейдельберг [Mh3] (A) (19)
Флориан Херольд, Мюнхен [FH] ( A) (20)
Dr.Герман Хинш, Гейдельберг [Hh3] (A) (22)
Priv.-Doz. Д-р Дитер Хоффманн, Берлин [Dh3] (A, B) (02)
Д-р Георг Хоффманн, Гиф-сюр-Иветт, Франция [Gh2] (A) (29)
Д-р Герт Якоби, Гамбург [GJ] ( B) (09)
Ренате Ересич, Гейдельберг [RJ] (A) (28)
Д-р Кэтрин Журне, Штутгарт [CJ] (A) (Эссе Nanoröhrchen)
Проф. Д-р Йозеф Каллрат, Людвигсхафен, [JK] ( A) (04; Essay Numerische Methoden in der Physik)
Priv.-Doz. Доктор Клаус Кифер, Фрайбург [CK] (A) (14, 15; Essay Quantengravitation)
Ричард Килиан, Висбаден [RK3] (22)
Dr.Ульрих Килиан, Гейдельберг [Великобритания] (A) (19)
Д-р Уве Клемрадт, Мюнхен [UK1] (A) (20, Essay Phasenübergänge und kritische Phänomene)
Д-р Ахим Кнолль, Карлсруэ [AK1] (A) (20 )
Д-р Алексей Кожевников, Колледж-Парк, США [AK3] (A) (02)
Д-р Берндт Козловски, Ульм [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
Д-р Бернд Краузе, Мюнхен [BK1] (A) (19)
Д-р Йенс Крайзель, Гренобль [JK2] (A) (20)
Д-р Геро Кубе, Майнц [GK] (A) (18)
Ральф Кюнле, Гейдельберг [RK1] (A) ( 05)
Volker Lauff, Магдебург [VL] (A) (04)
Priv.-Доз. Д-р Аксель Лорке, Мюнхен [AL] (A) (20)
Д-р Андреас Марквиц, Лоуэр-Хатт, Новая Зеландия [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr Дирк Мецгер, Мангейм [DM] (A) (07)
Проф. Д-р Карл фон Мейенн, Мюнхен [KVM] (A) (02)
Д-р Руди Михалак, Аугсбург [RM1] (A) (23)
Гельмут Милде, Дрезден [HM1] (A) (09)
Гюнтер Милде, Дрезден [GM1] (A) (12)
Марита Милде, Дрезден [MM2] (A) (12)
Д-р Андреас Мюллер, Киль [AM2 ] (A) (33)
доктор Николаус Нестле, Лейпциг [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr.Томас Отто, Генф [TO] (A) (06)
Д-р Ульрих Парлитц, Геттинген [UP1] (A) (11)
Кристоф Пфлумм, Карлсруэ [CP] (A) (06, 08)
Д-р Оливер Пробст , Монтеррей, Мексика [OP] (A) (30)
Д-р Роланд Андреас Пунтигам, Мюнхен [RAP] (A) (14)
Д-р Андреа Квинтель, Штутгарт [AQ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Gunnar Radons, Мангейм [GR1] (A) (01, 02, 32)
Д-р Макс Раунер, Вайнхайм [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Роберт Рауссендорф, Мюнхен [RR1] (A) (19)
Ингрид Райзер, Манхэттен, США [IR] (A) (16)
Dr.Уве Реннер, Лейпциг [UR] (A) (10)
Д-р Урсула Реш-Эссер, Берлин [URE] (A) (21)
Д-р Питер Оливер Ролл, Ингельхайм [OR1] (A, B) (15; Essay Quantenmechanik und ihre Interpretationen)
Проф. Д-р Зигмар Рот, Штутгарт [SR] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Dr Margit Sarstedt, Leuven [MS2] (A) (25)
Рольф Зауэрмост, Вальдкирх [RS1] (A) (02)
Маттиас Шеммель, Берлин [MS4] (A) (02)
Майкл Шмид, Штутгарт [MS5] (A) (Эссе Nanoröhrchen)
Dr.Мартин Шен, Констанц [MS] (A) (14)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Доктор Йоахим Шюллер, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Ричард Швальбах, Майнц [RS2] (A) (17)
Проф. Доктор Пол Штайнхардт, Принстон, США [PS] (A) (Essay Quasikristalle und Quasi-Elementarzellen)
Проф. Доктор Клаус Штирштадт, Мюнхен [KS] (B)
Д-р Зигмунд Штинцинг, Мюнхен [SS1] (A) (22)
Корнелиус Сухи, Брюссель [CS2] (A) (20)
Д-р Фолькер Тейлейс, Мюнхен [VT] (A) (20)
Проф.Д-р Джеральд ‘т Хоофт, Утрехт, Нидерланды [GT2] (A) (Essay Renormierung)
Д-р Аннетт Фогт, Берлин [AV] (A) (02)
Д-р Томас Фолькманн, Кельн [ТВ] (A) ( 20)
Рольф фон Штайн, Кельн [RVS] (A) (29)
Патрик Фосс-де Хаан, Майнц [PVDH] (A) (17)
Доктор Томас Вагнер, Гейдельберг [TW2] (A) (29)
Д-р Хильдегард Васмут-Фрис, Людвигсхафен [HWF] (A) (26)
Манфред Вебер, Франкфурт [MW1] (A) (28)
Priv.-Doz. Д-р Бургхард Вайс, Любек [BW2] (A) (02)
Проф. Д-р Клаус Винтер, Берлин [KW] (A) (Essay Neutrinophysik)
Dr.Ахим Виксфорт, Мюнхен [AW1] (A) (20)
Д-р Штеффен Вольф, Беркли, США [SW] (A) (16)
Priv.-Doz. Д-р Йохен Восница, Карлсруэ [JW] (A) (23; Essay Organische Supraleiter)
Priv.-Doz. Д-р Йорг Зегенхаген, Штутгарт [JZ3] (A) (21; Essay Oberflächenrekonstruktionen)
Д-р Кай Зубер, Дортмунд [KZ] (A) (19)
Д-р Вернер Цвергер, München [WZ] (A) (20)

Mitarbeiter Band V

Доктор Ульрих Килиан (verantwortlich)
Кристин Вебер

Redaktionsassistenz:

Matthias Beurer

Physikhistorische Beratung:

Priv.-Доз. Д-р Дитер Хоффманн, Берлин

Autoren (A) und Berater (B):

In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; Eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Профессор доктор Клаус Андрес, Гархинг [KA] (A) (10)
Маркус Аспельмейер, München [MA1] (A) (20)
Доктор Катя Баммель, Кальяри, I [KB2] (A) (13 )
Доз. Д-р Ханс-Георг Бартель, Берлин [HGB] (A) (02)
Штеффен Бауэр, Карлсруэ [SB2] (A) (20, 22)
Dr.Гюнтер Байкерт, Фирнхайм [GB1] (A) (04, 10, 25)
Проф. Д-р Ханс Беркхемер, Франкфурт [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Д-р Вернер Биберахер, Гархинг [WB] (B) (20)
Проф. Тамаш С. Биро, Будапешт [TB2] (A) (15)
Проф. Д-р Хельмут Бокемейер, Дармштадт [HB2] (A, B) (18)
Д-р Томас Бюрке, Лаймен [TB] (A) (32)
Йохен Бюттнер, Берлин [JB] (A) (02)
Д-р Маттиас Дельбрюк, Доссенхайм [MD] (A) (12, 24, 29)
Проф. Д-р Мартин Дрессель, Штутгарт (A) (Essay Spindichtewellen)
Dr.Michael Eckert, München [ME] (A) (02)
Доктор Дитрих Эйнцель, Гархинг (A) (Essay Supraleitung und Suprafluidität)
Доктор Вольфганг Айзенберг, Лейпциг [WE] (A) (15)
Доктор Франк Эйзенхабер , Wien [FE] (A) (27)
Д-р Роджер Эрб, Кассель [RE1] (A) (33)
Д-р Анжелика Фаллер-Мюллер, Гросс-Циммерн [AFM] (A) (16, 26)
Стефан Фихтнер, Гейдельберг [СФ] (A) (31)
Доктор Томас Филк, Фрайбург [TF3] (A) (10, 15)
Натали Фишер, Вальдорф [NF] (A) (32)
Доктор Томас Фурманн , Мангейм [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Франкфурт [FG1] (A) (22)
Dr.Харальд Генз, Дармштадт [HG1] (A) (18)
Проф. Д-р Хеннинг Генз, Карлсруэ [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Д-р Майкл Гердинг, Потсдам [MG2] (A) (13)
Андреа Грейнер, Гейдельберг [AG1] (A) (06)
Уве Григолейт, Вайнхайм [UG] (A) (13)
Гюнтер Хадвич, Мюнхен [GH] (A) (20)
Д-р Андреас Хейльманн, Галле [ Ah2] (A) (20, 21)
Карстен Хайниш, Кайзерслаутерн [CH] (A) (03)
Доктор Марк Хембергер, Гейдельберг [Mh3] (A) (19)
Доктор Саша Хильгенфельдт, Кембридж, США ( A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr.Герман Хинш, Гейдельберг [Hh3] (A) (22)
Priv.-Doz. Доктор Дитер Хоффманн, Берлин [Dh3] (A, B) (02)
Доктор Герт Якоби, Гамбург [GJ] (B) (09)
Ренате Еречич, Гейдельберг [RJ] (A) (28)
Проф. Д-р Йозеф Каллрат, Людвигсхафен [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Доктор Клаус Кифер, Фрайбург [CK] (A) (14, 15)
Ричард Килиан, Висбаден [RK3] (22)
Доктор Ульрих Килиан, Гейдельберг [Великобритания] (A) (19)
Томас Клюге, Юлих [ TK] (A) (20)
Д-р Ахим Кнолль, Карлсруэ [AK1] (A) (20)
Д-р.Алексей Кожевников, Колледж-Парк, США [AK3] (A) (02)
Д-р Бернд Краузе, Мюнхен [BK1] (A) (19)
Д-р Геро Кубе, Майнц [GK] (A) (18)
Ральф Кюнле, Гейдельберг [RK1] (A) (05)
Фолькер Лауфф, Магдебург [VL] (A) (04)
Д-р Антон Лерф, Гархинг [AL1] (A) (23)
Д-р Детлеф Лозе, Твенте, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Д-р Аксель Лорке, Мюнхен [AL] (A) (20)
Проф. Д-р Ян Луи, Галле (A) (Essay Stringtheorie)
Д-р Андреас Марквиц, Лоуэр-Хатт, Новая Зеландия [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr.Дирк Метцгер, Мангейм [DM] (A) (07)
Доктор Руди Михалак, Дрезден [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Дрезден [HM1] (A) (09)
Марита Милде, Дрезден [MM2] (A) (12)
Проф. Д-р Андреас Мюллер, Трир [AM2] (A) (33)
Проф. Д-р Карл Отто Мюнних , Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Доктор Николаус Нестле, Лейпциг [NN] (A, B) (05, 20)
Доктор Томас Отто, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz . Д-р Ульрих Парлитц, Геттинген [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr.Оливер Пробст, Монтеррей, Мексика [OP] (A) (30)
Доктор Роланд Андреас Пунтигам, Мюнхен [RAP] (A) (14)
Доктор Гуннар Радонс, Мангейм [GR1] (A) (01, 02, 32)
Д-р Макс Раунер, Вайнхайм [MR3] (A) (15)
Роберт Рауссендорф, München [RR1] (A) (19)
Ингрид Райзер, Манхэттен, США [IR] (A) (16)
Dr . Уве Реннер, Лейпциг [UR] (A) (10)
Д-р Урсула Реш-Эссер, Берлин [URE] (A) (21)
Д-р Питер Оливер Ролл, Ингельхайм [OR1] (A, B) (15 )
Ханс-Йорг Рутч, Вальдорф [HJR] (A) (29)
Рольф Зауэрмост, Вальдкирх [RS1] (A) (02)
Маттиас Шеммель, Берлин [MS4] (A) (02)
Проф.Д-р Эрхард Шольц, Вупперталь [ES] (A) (02)
Д-р Мартин Шен, Констанц [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Д-р Эрвин Шуберт, Гархинг [ES4] (A) (23 )
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Д-р Клаус Штирштадт, Мюнхен [KS] (B)
Д-р Зигмунд Штинцинг, Мюнхен [SS1] (A) (22)
Д-р Бертольд Сухан, Гиссен [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Корнелиус Сухи, Брюссель [CS2] (A) (20)
Dr.Фолькер Тайлейс, Мюнхен [Вирт. , Кельн [ТВ] (A) (20)
Рольф фон Штайн, Кельн [RVS] (A) (29)
Доктор Патрик Фосс-де Хаан, Майнц [PVDH] (A) (17)
Доктор Томас Вагнер , Гейдельберг [TW2] (A) (29)
Манфред Вебер, Франкфурт [MW1] (A) (28)
Д-р Мартин Вернер, Гамбург [MW] (A) (29)
Д-р Ахим Виксфорт, Мюнхен [AW1 ] (A) (20)
Д-р Штеффен Вольф, Беркли, США [ЮЗ] (A) (16)
Д-р.Стефан Л. Вольф, Мюнхен [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Д-р Йохен Восница, Карлсруэ [JW] (A) (23)
Д-р Кай Зубер, Дортмунд [KZ] (A) (19)
Д-р Вернер Цвергер, Мюнхен [WZ] (A) (20)

PPT — Введение Эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона Термоэлектрический эффект Презентация в PowerPoint

PH0101 БЛОК-5 ЛЕКЦИЯ 3 • Введение • Эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона • Термоэлектрический эффект • Термоэлектрические материалы • Показатель качества • Принцип, конструкция и работа термоэлектрического генератора PH 0101 Блок-5 Лекция -3

1.Введение • Пионером в термоэлектричестве был немецкий ученый Томас Иоганн Зеебек (1770-1831). • Термоэлектричество относится к классу явлений, в которых разность температур создает электрический потенциал или электрический потенциал создает разность температур. • Термоэлектрический генератор энергии — это устройство, которое преобразует тепловую энергию в электрическую на основе принципов эффекта Зеебека. • Позже, в 1834 году французский ученый Пельтье и в 1851 году Томсон (позже лорд Кельвин) описали тепловое воздействие на проводники PH 0101 Блок-5 Лекция -3

2.Эффект Зеебека, Пельтье и Томсона Эффект Зеебека Когда соединения двух разных металлов поддерживаются при разной температуре, в цепи возникает ЭДС. Это известно как эффект Зеебека. В проводнике 1 поддерживается температура T + ∆T, в проводнике 2 поддерживается температура «T». Поскольку в соединениях поддерживается разная температура, ЭДС «U» течет по цепи. PH 0101 Unit-5 Лекция -3

PH 0101 Unit-5 Лекция -3

поглощено высвобождается эффект Пельтье Каждый раз, когда ток проходит по цепи двух разнородных проводников, в зависимости от направления тока, либо тепло поглощается или выделяется на стыке двух проводников.Это известно как эффект Пельтье. PH 0101 Блок-5 Лекция -3

PH 0101 Блок-5 Лекция -3

Эффект Томсона Тепло поглощается или выделяется, когда ток течет в материале с определенным градиентом температуры. Теплота пропорциональна как электрическому току, так и градиенту температуры. Это известно как эффект Томсона. 3. Термоэлектрический эффект. Термоэлектрический эффект — это прямое преобразование разности температур в электрическое напряжение и наоборот.. PH 0101 Блок-5 Лекция -3

4. Термоэлектрические материалы • Хорошие термоэлектрические материалы должны обладать • большими коэффициентами Зеебека • высокой электропроводностью • низкой теплопроводностью • Пример для термоэлектрических материалов • теллурид висмута (Bi2Te3), • Теллурид свинца (PbTe), • Кремний-германий (SiGe), • Висмут-сурьма (Bi-Sb) PH 0101 Блок-5 Лекция -3

5. Показатель качества Для минимизации джоулева нагрева необходима высокая электропроводность а низкая теплопроводность помогает сохранять тепло на стыках и поддерживать большой температурный градиент.Эти три свойства были позже объединены, и это называется добротностью (Z). PH 0101 Блок-5 Лекция -3

Поглощение Горячий спай P-типа N-типа Холодный спай Отвод тепла Выходная мощность 6. Принцип, конструкция и работа термоэлектрического генератора энергии Термоэлектрический генератор энергии основан на принципе Зеебека Эффект заключается в том, что, когда соединения двух разных металлов поддерживаются при разной температуре, ЭДС создается в цепи PH 0101 Блок-5 Лекция -3

Чтобы выбрать материалы и спроектировать термоэлектрический генератор , необходимо Начнем с общего понимания термоэлектрических эффектов.• В термоэлектрическом материале есть свободные носители, которые переносят как заряд, так и тепло. • Возможно, самый простой пример — это газ заряженных частиц. • Если газ помещен в ящик в пределах температурного градиента, когда одна сторона холодная, а другая горячая, молекулы газа на горячем конце будут двигаться быстрее, чем на холодном конце. • Более быстрые горячие молекулы будут диффундировать дальше, чем холодные молекулы, поэтому на холодном конце будет чистое скопление молекул (более высокая плотность).• Градиент плотности заставит молекулы диффундировать обратно к горячему концу. PH 0101 Блок-5 Лекция -3

В установившемся режиме эффект градиента плотности будет точно противодействовать эффекту градиента температуры, поэтому нет чистого потока молекул. • Если молекулы заряжены, накопление заряда на холодном конце также вызовет отталкивающую электростатическую силу (и, следовательно, электрический потенциал), чтобы подтолкнуть заряды обратно к горячему концу.Диаграмма показывает накопление заряда на холодной стороне PH 0101 Блок-5 Лекция -3

Электрический потенциал, создаваемый разностью температур , известен как эффект Зеебека, а константа пропорциональности называется коэффициентом Зеебека. • Если свободные заряды положительны (материал p-типа), на холоде будет накапливаться положительный заряд, который будет иметь положительный потенциал. • Точно так же отрицательные свободные заряды (материал n-типа) будут создавать отрицательный потенциал на холодном конце.PH 0101 Блок-5 Лекция -3

Конструкция В устройствах для производства термоэлектрической энергии (ТЭГ) обычно используются специальные полупроводниковые материалы, оптимизированные для эффекта Зеебека. Простейший термоэлектрический генератор энергии состоит из термопары, состоящей из материалов p-типа и n-типа, соединенных электрически последовательно и термически параллельно. Тепло подводится к одной стороне пары и отклоняется с противоположной стороны. Возникает электрический ток, пропорциональный температурному градиенту между горячим и холодным спаями.PH 0101 Unit-5 Лекция -3

Следовательно, для любого TEPG требуются четыре основных компонента , таких как: • Источник тепла (топливо) • Полупроводниковый блок P и N типа (модуль TE) • Радиатор (холодный сторона) • Электрическая нагрузка (выходное напряжение) PH 0101 Блок-5 Лекция -3

На рисунке показана конструкция термоэлектрического генератора энергии . • Есть горелка, в которой пропановое топливо используется в качестве источника тепла с одной стороны.• Выхлоп используется для отвода сгоревшего топлива. • С другой стороны сохраняется холодный спай. • Термоэлектрический модуль (TE) (состоящий из нескольких полупроводниковых таблеток P- и N-типа, соединенных последовательно или параллельно в зависимости от обслуживаемой нагрузки)) находится между горячим и холодным спаем. • Электрический выход (нагрузка) снимается с модуля TE. PH 0101 Unit-5 Лекция -3

N-type Холодная сторона Горячая сторона Тепловой поток V Электронный поток Рабочий Когда две стороны полупроводника поддерживаются с разной температурой, ЭДС проходит через выходной контур PH 0101 Unit -5 Лекция -3

По мере того, как тепло перемещается от горячей стороны к холодной, носитель заряда перемещается в полупроводниковых материалах, и, следовательно, создается потенциальное различие.• Электроны являются носителями заряда в случае полупроводников N-типа, а дырка — в полупроводниках P-типа. • В стеке подключено несколько полупроводников P-типа и N-типа. • Одно соединение PN может производить напряжение Зеебека 40 мВ. • Источники тепла, такие как природный газ или пропан, используются для удаленного производства электроэнергии. PH 0101 Блок-5 Лекция -3

Преимущества • Простота обслуживания: они электрически работают без каких-либо движущихся частей, поэтому они практически не требуют обслуживания.• Экологичность: термоэлектрические генераторы не загрязняют окружающую среду. Поэтому они являются экологически чистыми генераторами. • Компактность и меньший вес: общая термоэлектрическая система охлаждения намного меньше и легче, чем сопоставимая механическая система. • Высокая надежность: термоэлектрические модули демонстрируют очень высокую надежность благодаря своей твердотельной конструкции. PH 0101 Unit-5 Лекция -3

Отсутствие шума: их можно использовать в любом положении и в условиях нулевой силы тяжести .Таким образом, они популярны во многих аэрокосмических приложениях. • Удобный источник питания: они работают напрямую от источника постоянного тока. PH 0101 Блок-5 Лекция -3

Горячая вода Ледяная вода Эксперимент — ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР • Аппарат • Стаканы • Горячая плита • Лед • Вентилятор • цифровой термометр • Этот эксперимент преобразует тепловую энергию в электрическую с помощью эффекта Зеебека. Погрузите металлические пластины в ванны с двумя разными температурами. Этот блок будет генерировать разницу температур 10 мВ / градус.Покажите это с помощью мультиметра или используйте его для запуска небольшого вентилятора. PH 0101 Unit-5 Lecture -3

Эффект Пельтье — определение английского языка, грамматика, произношение, синонимы и примеры

Устройство для производства холода с использованием эффекта Пельтье

патенты-wipo

Термин «термоэлектрический эффект» охватывает три отдельно идентифицированных эффекта: эффект Зеебека , эффект Пельтье и эффект Томсона.

WikiMatrix

Он представил эффект Пельтье .

WikiMatrix

Эффект Пельтье системы охлаждения

tmClass

Подставка включает радиатор для отвода тепла, выделяемого элементом с эффектом Пельтье — .

патенты-wipo

Если через этот градиент пропускается ток, то возникает непрерывная версия эффекта Пельтье .

WikiMatrix

Это называется эффектом Пельтье .

WikiMatrix

Система TEC может снижать температуру MCM, используя, например, эффект Пельтье .

патенты-wipo

Эффект Зеебека по существу противоположен эффекту Пельтье .

WikiMatrix

Влияние эффектов Томсона, Джоуля и Пельтье — практически можно не учитывать.

спрингер

Разработка оборудования для кондиционирования воздуха зданий на основе эффекта Пельтье .

Обычное сканирование

Охлаждение на основе эффекта Пельтье . Электрический ток проходит через два соединения двух разнородных металлов.

Обычное сканирование

Тепловой насос предпочтительно представляет собой устройство на эффекте Пельтье .

патенты-wipo

Он основан на эффекте Пельтье .

WikiMatrix

Предварительный обогрев и охлаждение автомобиля эффектом Пельтье

патенты-wipo

Устройство охлаждения и тепла для автокресла с использованием эффекта Пельтье

патенты-wipo

Нагревательные аппараты, работающие на электричестве, мазуте, газе или возобновляемых источниках энергии (солнечные, геотермальные, тепловые насосы, устройства на эффекте Пельтье, устройства)

tmClass

Также описывается охлаждающее устройство с эффектом Пельтье, —, для реализации способа.

патенты-wipo

Основные эффекты и графики взаимодействия

В разделе «Эффективность фотографий на сайте знакомств» Я предложил точечные графики, чтобы показать, как разные темы изображений профиля приводят к разным показателям успеха привлечения внимания потенциальных свиданий. В исходном анализе в «4 больших мифах об изображениях профиля» использовались гистограммы, которые потенциально сбивали с толку, потому что начало столбцов не было нулевым, а вместо этого было средним для всех данных. После моей предыдущей публикации Натан написал в своем блоге Flowing Data Get a Date With Your Online Profile Pic — Myths Debunked, и я был вдохновлен написать о некоторых простых графических статистических инструментах.

Исходный анализ также показал влияние мимики и зрительного контакта на эффективность фото. Фотографии в профиле женщин, которые смотрят в глаза, более эффективны, чем фотографии без зрительного контакта, для всех выражений лица. Снимки с кокетливым лицом при зрительном контакте наиболее эффективны, а снимки с кокетливым лицом без зрительного контакта — наименее эффективны.

Гистограммы достаточно хорошо отображают данные. Когда стержни перекрываются, это может привести к заключению, поскольку передние стержни частично закрывают задние стержни, а задние стержни могут казаться меньше, чем они есть на самом деле из-за этого препятствия.Также не так легко увидеть относительные эффекты.

Графики основных эффектов

При проведении статистического анализа одним из простейших графических инструментов, имеющихся в нашем распоряжении, является график основных эффектов . Этот график показывает средний результат для каждого значения каждой переменной, объединяя эффекты других переменных, как если бы все переменные были независимыми. На диаграмме ниже мы видим, что средние показатели улыбки (с зрительным контактом и без него) самые высокие, средние показатели отсутствия улыбки — самые низкие, а кокетливость находится посередине.Среднее значение зрительного контакта больше, чем отсутствие зрительного контакта (для всех выражений лица вместе взятых). Мы могли бы оценить эти эффекты по гистограмме выше, но полезно потратить время на их построение.

Данные показаны ниже, диапазоны которых заштрихованы в соответствии с цветом нанесенных точек. Два столбца слева от данных используются для создания двухуровневых осей категорий в диаграммах. Маркировать серию нет необходимости, поскольку идентификация серии упрощается с помощью этих двухосевых меток.

Примечание: Я использовал простые средние значения из данных в диаграммах исходной статьи, но в реальном анализе вам придется взвешивать средние значения по доле людей, использующих каждый уровень каждого фактора.

Сюжет основных эффектов прост и не дает много информации. Отображение только основных эффектов каждого уровня факторов без учета уровней других факторов упрощенно и вводит в заблуждение.

Например, мы могли бы предположить, что наилучший успех принесет улыбка и зрительный контакт, а наихудший — отсутствие улыбки и зрительного контакта.Фактически, изображение с кокетливым лицом является самым успешным (при зрительном контакте) и худшим (без зрительного контакта).

Графики взаимодействия 1

Другой имеющийся в нашем распоряжении графический статистический инструмент — это график взаимодействия . Этот тип диаграммы иллюстрирует эффекты между переменными, которые не являются независимыми. Такой сюжет похож на графики здесь. Есть две версии, чтобы лучше проиллюстрировать эффекты зрительного контакта и выражения лица.

Фактически, исходная гистограмма выше показывает взаимодействие между факторами, но более эффективно использовать маркеры с соединительными линиями для отображения данных.

Две диаграммы показывают эффект выражения для двух категорий зрительного контакта (слева) и эффект зрительного контакта для трех выражений (справа). Диаграммы можно легко составить, используя данные в соответствующем порядке. Таблица справа показывает, что кокетливое выражение лица наиболее эффективно при зрительном контакте. Без зрительного контакта это выражение — неудачник.

— — —

Для двух диаграмм требуются независимые диапазоны данных. Два столбца слева от данных используются для создания двухуровневых осей категорий в диаграммах.Маркировать серию нет необходимости, поскольку идентификация серии упрощается с помощью этих двухосевых меток.

Графики взаимодействия 2

Альтернативный и, возможно, более распространенный макет для диаграмм взаимодействия показан ниже. Как и выше, две версии подчеркивают эффект выражения лица и зрительного контакта.

В сериях используется один и тот же один уровень меток категорий, а метки нижнего уровня заменены метками данных в самих сериях.Эта альтернатива может стать более загроможденной, но она также более четко показывает эффекты взаимодействия.

Например, почти параллельные линии улыбки и отсутствия улыбки на правом графике выше указывают только на очень слабое взаимодействие между зрительным контактом и улыбкой, но более крутая линия кокетливого лица показывает более сильный эффект (или взаимодействие) зрительного контакта, когда выражение лица — кокетливое лицо. Почти параллельные сегменты на левой диаграмме показывают такое же слабое взаимодействие между улыбкой и зрительным контактом, в то время как огромная разница между двумя точками данных с кокетливым лицом показывает сильное взаимодействие.

— — —

Эти две диаграммы могут использовать один и тот же диапазон данных, используя столбцы или строки для данных ряда. Использование имен серий в качестве меток данных рядом с точками данных позволяет эффективно идентифицировать данные.

добавочный номер

Тот же подход, описанный выше, дает представление об эффективности фото для мужчин.

Вот исходная гистограмма.

Сюжет основных эффектов.

Графики взаимодействий, обе вариации.

— —

Введение в термоэлектрическое охлаждение — термоэлектрическое

1.0 Введение в термоэлектрическое охлаждение

1,1 Термоэлектрический (ТЕ) охладитель, иногда называемый термоэлектрическим модулем или охладителем Пельтье, представляет собой электронный компонент на основе полупроводников, который функционирует как небольшой тепловой насос. При подаче низковольтного источника питания постоянного тока на ТЕ-модуль тепло будет перемещаться через модуль от одной стороны к другой. Таким образом, одна поверхность модуля будет охлаждаться, в то время как противоположная сторона одновременно нагревается.Важно отметить, что это явление может быть обращено вспять, когда изменение полярности (плюс и минус) приложенного постоянного напряжения приведет к перемещению тепла в противоположном направлении. Следовательно, термоэлектрический модуль может использоваться как для нагрева, так и для охлаждения, что делает его очень подходящим для приложений точного контроля температуры.

1.1.1 Чтобы дать новому пользователю общее представление о возможностях термоэлектрического охладителя, было бы полезно предложить этот пример.Если бы типичный одноступенчатый термоэлектрический модуль был помещен на радиатор, который поддерживался при комнатной температуре, а затем модуль был подключен к подходящей батарее или другому источнику постоянного тока, «холодная» сторона модуля остыла бы примерно до — 40 ° С. На этом этапе модуль почти не будет перекачивать тепло и достигнет своего максимального номинального значения «DeltaT (DT)». Если постепенно подводить тепло к холодной стороне модуля, температура холодной стороны будет постепенно увеличиваться, пока в конечном итоге не сравняется с температурой радиатора.На этом этапе охладитель TE достиг бы максимальной номинальной «тепловой насосной мощности» (Qmax).

1,2 И термоэлектрические охладители, и механические холодильники подчиняются одним и тем же фундаментальным законам термодинамики, и обе холодильные системы, хотя и значительно различаются по форме, функционируют в соответствии с одними и теми же принципами.

В механической холодильной установке компрессор повышает давление жидкости и обеспечивает циркуляцию хладагента по системе.В испарителе или в зоне «морозильной камеры» хладагент закипает, и в процессе превращения в пар хладагент поглощает тепло, в результате чего морозильная камера становится холодной. Тепло, поглощаемое в морозильной камере, перемещается в конденсатор, где оно передается в окружающую среду от конденсирующегося хладагента. В термоэлектрической системе охлаждения легированный полупроводниковый материал по существу заменяет жидкий хладагент, конденсатор заменен оребренным радиатором, а компрессор заменен источником питания постоянного тока.Приложение мощности постоянного тока к термоэлектрическому модулю заставляет электроны перемещаться через полупроводниковый материал. На холодном конце (или «стороне замораживания») полупроводникового материала тепло поглощается движением электронов, проходит через материал и выводится на горячем конце. Поскольку горячий конец материала физически прикреплен к радиатору, тепло передается от материала к радиатору, а затем, в свою очередь, передается в окружающую среду.

1,3 Физические принципы, на которых основаны современные термоэлектрические охладители, на самом деле восходят к началу 1800-х годов, хотя коммерческие TE-модули не были доступны почти до 1960 года.Первое важное открытие, связанное с термоэлектричеством, произошло в 1821 году, когда немецкий ученый Томас Зеебек обнаружил, что электрический ток будет непрерывно течь по замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов, при условии, что соединения металлов поддерживаются при двух разных температурах. Однако Зеебек на самом деле не понимал научной основы своего открытия и ошибочно предполагал, что текущее тепло производит тот же эффект, что и электрический ток. В 1834 году французский часовщик и физик, работающий по совместительству, Жан Пельтье, исследуя «эффект Зеебека», обнаружил противоположное явление, при котором тепловая энергия может поглощаться на одном стыке разнородных металлов и разряжаться на другом стыке, когда электрический ток течет по замкнутому контуру.Двадцать лет спустя Уильям Томсон (впоследствии известный как лорд Кельвин) опубликовал исчерпывающее объяснение эффектов Зеебека и Пельтье и описал их взаимосвязь. Однако в то время эти явления все еще считались лабораторными диковинками и не имели практического применения.

В 1930-х годах российские ученые приступили к изучению некоторых из ранних термоэлектрических работ, пытаясь сконструировать генераторы для использования в удаленных местах по всей стране.Этот интерес россиян к термоэлектричеству в конечном итоге привлек внимание остального мира и вдохновил на разработку практических термоэлектрических модулей. В современных термоэлектрических охладителях используется современная полупроводниковая технология, при которой легированный полупроводниковый материал заменяет разнородные металлы, использовавшиеся в ранних термоэлектрических экспериментах.

1,4 Эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона вместе с некоторыми другими явлениями составляют основу функциональных термоэлектрических модулей.Не вдаваясь в подробности, мы рассмотрим некоторые из этих фундаментальных термоэлектрических эффектов.

1.4.1 ЭФФЕКТ Зеебека: Чтобы проиллюстрировать эффект Зеебека, давайте рассмотрим простую схему термопары, показанную на рисунке (1.1). Проводники термопары представляют собой два разнородных металла, обозначенных как Материал x и Материал y.

В типичном приложении для измерения температуры термопара A используется в качестве «эталона» и поддерживается при относительно низкой температуре Tc.Термопара B используется для измерения интересующей температуры (Th), которая в этом примере выше температуры Tc. Когда к термопаре B приложено тепло, на клеммах T1 и T2 появится напряжение. Это напряжение (Vo), известное как ЭДС Зеебека, может быть выражено как:

Vo = выходное напряжение в вольтах
axy = дифференциальный коэффициент Зеебека между двумя материалами, x и y, в вольтах / ° K
Th и Tc = температура горячей и холодной термопары, соответственно , в ° К

1.4.2 ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ: Если мы изменим нашу схему термопары, чтобы получить конфигурацию, показанную на рисунке (1.2), можно будет наблюдать противоположное явление, известное как эффект Пельтье.

Если напряжение (Vin) приложено к клеммам T1 и T2, в цепи будет течь электрический ток (I). В результате протекания тока небольшой эффект охлаждения (Qc) будет возникать в спайе A термопары, где поглощается тепло, и эффект нагрева (Qh) будет возникать в спайе B, где отводится тепло.Обратите внимание, что этот эффект может быть обращен вспять, когда изменение направления электрического тока изменит направление теплового потока. Математически эффект Пельтье можно выразить как:

pxy — это дифференциальный коэффициент Пельтье между двумя материалами, x и y, в вольтах, I — электрический ток в амперах, Qc, Qh — скорость охлаждения и нагрева, соответственно, в ваттах.

Джоулевое нагревание, имеющее величину I x R (где R — электрическое сопротивление), также происходит в проводниках в результате протекания тока.Этот эффект нагрева Джоуля действует в противоположность эффекту Пельтье и приводит к чистому снижению доступного охлаждения.

1.4.3 ЭФФЕКТ ТОМСОНА: Когда электрический ток проходит через проводник, имеющий градиент температуры по всей его длине, тепло будет либо поглощаться проводником, либо отводиться от него. Поглощение или отвод тепла зависит от направления электрического тока и температурного градиента. Это явление, известное как эффект Томсона, представляет интерес с точки зрения задействованных принципов, но играет незначительную роль в работе практических термоэлектрических модулей.По этой причине он игнорируется.

.