Принцип пельтье: Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект

Содержание

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).

Что такое элемент Пельтье

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:

Элемент Пельтье, принцип работы

Что такое элемент Пельтье – электро-, термопреобразователь, который состоит из нескольких пар ( в отдельных случаях одной) полупроводников различных по свойству типов («n» и «р»), последние соединяются перемычками из металла – в основном это — медь.

На практике данное устройство создает температурную разность на разных концах поверхности при протекании энергии электрического тока.

Одним из наиболее простейших вариантов данного устройства Пельтье в практическом использовании является модификация ТЕС1-12706, изображенная на рисунке 1.

Элемент Пельтье – преобразователь термический, электрический ТЕС1-12706

Принцип работы элемента Пельтье

В корне принципа работы положен термоэлектрический эффект Пельтье. Другими словами — при протекании и под действием электрического тока создается разница температур в местах контактов термопар — полупроводников «n» и «р» — типа.

Элементы Пельтье – доволи таки «чувствительные устройства» к перегреву и высоким температурам. К ним предъявляются высокие требования к эксплуатации, при невыполнении которых, устройство быстро выходит из строя. Очень важно отводить тепло, для этой цели необходимо устанавливать радиатор или вентилятор, в противном случае не достигается температура холодной стороны относительно горячей.

Как работает элемент Пельтье

Представим, что электрический ток проходит через термическую пару, как показано на рисунке 2.

Принцип работы элемента Пельтье

В этом случае происходит процесс поглощения энергии тепла на полупроводниковом контакте n — p и процесс выделения тепловой энергии на p — n контакте. В итоге часть термопары полупроводника, который сопрягается с n — p контактом, будет охлаждаться, а вторая часть с другой противоположной стороны — соответственно, нагреваться.

В том случае, когда поменяем полярность по току, то происходит процессы нагревания и охлаждения, соответственно, также поменяются.

Обратный процесс эффекта Пельтье приводит к тому, что при подводе теплоты к одной стороне термопреобразователя получают энергию электрического тока.

Конечно на практике, применение одной термопары не хватает для полного отвода тепловой энергии, поэтому в преобразователе применяют большое количество. Электрическая цепь собирается из термопар последовательно. В то же время в конструкции термопреобразовательных элементов: нагревающие термопары располагаются на другой стороне относительно охлаждающих.

Устройство элемента Пельтье очень простое. Термические пары конструируются между двумя платинами, выполненными из керамики. Соединение термопар производится медными проводниками (шинами). Количество термопар определяется назначением термопреобразователя, его мощности и места установки и может применяться от одной до нескольких сотен штук.

Устройство элемента Пельтье

Основными элементами термопреобразователя являются: полупроводники р — типа, n — типа, керамические пластины, медные сопряжения — проводники; контакты подвода электрического тока «плюс» и «минус». Для элемента Пельтье разница по температурам разных краев термопар достигает до 70 градусов по Цельсию. Чтобы увеличить данную разницу требуется увеличить каскад последовательного включения термопар.

Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье

Данное устройство в целом идеально работает в тех случаях, когда хорошо и надежно контактируют термопары с охладительным устройством, будь то радиатор охлаждения или вентилятор охлаждения со змеевиком, то есть – хороший теплосъем.

Модули Пельтье, как их часто называют, очень чувствительны к перепадам по току и напряжению (не более 5 %). Под действием высоких температур (наиболее критическая для элементов до 150 градусов) эффективность снижается во много раз (до 40 %) и модуль очень быстро ломается.

Как правило, в схему работы полупроводниковых элементов недопустимым условием является приспособление релейных устройств: ограничивающих мощность или регулирующих. Это приводит к деградации кристаллических составляющих и к неисправности в скором времени элемента.

Частое включение и выключение устройств также негативно влияет на работу и срок эксплуатации, и его долговечность функционирования. Согласно законов физики — любой нагрев материала приводит к его тепловому расширению, а охлаждение — к сжатию. Соответственно, особенно слабыми местами в полупроводниковых элементах являются «паечные», где из-за механического движения возможно появление дефектов в виде микротрещин и в конце концов к разрыву цепи.

Коэффициент теплопроводности термических пар элемента Пельтье достаточно высок, что с одной стороны является достоинством, а с другой стороны ограничивает срок эксплуатации и расчетное число циклов «стоп-старт-стоп».

Достоинства и недостатки модуля Пельтье

Сравнивать устройство Пельтье с другими охладительными установками с различным приводом в принципе невозможно и нецелесообразно, так как в первом случае имеют полупроводниковые материалы в виде кристаллов, а во втором случае рабочее тело — газ или жидкость ( к примеру: компрессорный холодильник). В различных областях применяются и те и другие устройства.

К преимуществам элементов Пельтье можно отнести:

  • полное отсутствие механики движения и вращающихся частей, а также жидкостей, газов;
  • абсолютно нет шума работы устройств;
  • сравнительно малые размеры;
  • двухфункциональность: нагревание и охлаждение при изменении полярности;

К недостаткам можно отнести:

  • относительно низкий коэффициент полезного действия;
  • требование постоянного источника энергии, питания;
  • число пусков и остановов ограничено;
  • плавность отключения и включения термоэлектрических устройств;
  • контроль нагрева с одной стороны или охлаждения с другой с помощью вентилятора.

Опрос: Понятно ли что такое и как устроен Элемент Пельтье (Кол-во голосов: 16)

Да, понял с первого раза

Пришлось перечитать несколько раз, чтобы понять

Нет, не понял вообще

Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты

Область применения элементов Пельтье

Основной и наиболее широким применением термоэлектрические преобразователи нашли в следующих приборах, аппаратах и устройствах:

  • автохолодильники и бытовые аппараты;
  • водо- и воздухоохладители;
  • в электронных приборах и устройствах также в качестве охлаждения;
  • в генераторах электротермических.
Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 6 чел.
Средний рейтинг: 4.5 из 5.

Что такое элемент Пельтье, его характеристики и принцип работы | Энергофиксик

Вы, конечно, прекрасно знаете, что с помощью электрического тока возможно производить нагрев предметов, например, паяльник, чайник и т. п. А вы знаете, что с электричеством можно также и охлаждать? И я сейчас говорю не о холодильниках, где компрессором гоняется фреон, а речь идет о так называемом элементе Пельтье. В этом материале я расскажу вам об этом изделии подробно. Итак, начнем.

Содержание

Историческая справка

Как работает термоэлемент

Внутреннее устройство термоэлемента Пельтье

Недостатки и достоинства такого элемента

Маркировка изделия и ее расшифровка

Технические параметры элемента Пельтье

Область применения данных элементов

Как проверить исправность модуля Пельтье

Заключение

Историческая справка

В далеком 1834 году ученым из Франции Ж. Ш. Пельтье был открыт крайне любопытный эффект при протекании электрического тока по проводнику. Так, если через близко расположенные разнородные проводники пропускать электрический ток, то один из них сильно нагревается, а другой напротив охлаждается. И величина вырабатываемого тепла и холода прямо пропорционально связана с величиной пропускаемого тока.

Если же вектор направления тока изменить, то и стороны нагрева и охлаждения так же поменяются местами. Про это открытие, которое впоследствии назвали эффект Пельтье, на долгие годы просто напросто забыли, пока во второй половине двадцатого столетия не были произведены первые полупроводниковые элементы Пельтье.

Как работает термоэлемент

В основе абсолютно любого термоэлектрического модуля положен принцип разности уровня энергии электронов, то есть один проводящий элемент представляет из себя область с высокой проводимостью, а другой с низкой проводимостью. И если совместить такие проводники и пропустить через них ток, то электрону, чтобы пройти из низкоэнергетической области в высокоэнергетическую нужно накопить энергию. При этом та область где происходит поглощение энергии электроном начинает охлаждаться.

Если изменить полярность подключения элемента, то эффект охлаждения сменится на нагревание.

Этот эффект наблюдается у абсолютно любых элементов, но реальные следы данного явления начинают проявляться, когда используются полупроводники.

Внутреннее устройство термоэлемента Пельтьеyandex.ru

yandex.ru

Термоэлектрический модуль (ТЭМ) реализован из N-ого числа термопар. Причем сама термопара выполнена из пары полупроводников разнородного типа, которые соединены между собой пластиной из меди.

Данные полупроводники выполнены из солей таких металлов как: теллур, висмут, селен или сурьма.

Таких термопар соединенных в последовательную цепь может быть в одном устройстве сколь угодно много. И вся эта конструкция закрывается с обеих сторон керамическими пластинами.

Так как число термопар может быть различным, то значит и мощность элемента Пельтье также может варьироваться и очень сильно.

Протекающий постоянный ток нагревает одну часть элемента (например, верхнюю), а вторую (нижнюю) наоборот охлаждает. Если сменить полярность, то нагреваемая и охлаждаемая стороны поменяются местами.

Есть одна очень любопытная особенность функционирования такого элемента. Если в процессе работы принудительно охлаждать ту сторону, что подвергается нагреву, то сторона охлаждающаяся еще больше охладится и разница температур с воздухом может быть десятки градусов.

yandex.ru

yandex.ru

Недостатки и достоинства такого элемента

К сожалению, еще не придумано таких изделий, у которых были бы только плюсы, поэтому давайте рассмотрим положительные и отрицательные стороны элемента Пельтье.

Плюсы изделия

1. По размеру данное изделие может быть абсолютно любым.

2. В изделии нет движущихся деталей, а это значит что оно полностью бесшумно.

3. Лишь изменив полярность питания элемента нагревательная поверхность превращается в охлаждающую.

Минусы изделия

1. Единственным, но самым существенным недостатком ТЭМа считается его маленький КПД. И проблема низкого КПД заключена в том, что по своей сути электроны обладают двойной природой и переносят как заряд, так и тепловую энергию и для того, чтобы создать высокоэффективный элемент Пельтье, нужен материал с высокой проводимостью электрического тока и низкой проводимостью тепла, а такой материал пока не придуман.

Маркировка изделия и ее расшифровка

На любом элементе присутствует буквенно-циферный код, который выглядит так:

И вот как он расшифровывается:

Первые две буквы всегда «ТЕ» всегда неизменны и означают что перед нами термоэлемент.

Третья буква указывает на размерность модуля «С» — стандартный модуль, «S» — малый модуль

А первая цифра, идущая после букв, говорит о количестве слоев (каскадов) в элементе.

Далее три идущие цифры говорят о числе термопар в модуле (в данном элементе 127 пар).

Последние две цифры указывают на номинальный ток, в нашем варианте ток равен 10 Амперам.

Технические параметры элемента Пельтье

Главные параметры у элементов таковы:

— Q max – производительность холода. Данный параметр рассчитывается из максимального тока и разности температур между противолежащими обкладками модуля Пельтье.

— Imax – ток, при котором перепад температур достигает своего максимума.

— U max — предельное напряжение.

— Resistence – сопротивление внутренних элементов изделия.

— COP – это КПД нашего изделия. Данный показатель только у самых «крутых» модулей едва дотягивается до 50 %, а те элементы, которые нам могут предложить китайские производители, имеют КПД от 20% до 30%.

Область применения данных элементов

Данные термоэлектрические модули нашли свое применение в следующих областях:

Мобильные (автомобильные) холодильники.

Мобильные термогенераторы. В таких изделиях применяется обратный эффект, то есть при нагревании одной стороны элемента и охлаждении другой, происходит вырабатывание электрической энергии.

Осушители воздуха.

Лабораторные инкубаторы.

Кулеры для воды.

Как проверить исправность модуля Пельтье

Заключение

Это все, что я хотел сегодня вам рассказать об элементе Пельтье. Если вы захотели приобрести такой элемент, то покупал я его в этом магазине. В следующих статьях я расскажу о том, как собрать на основе этого элемента термогенератор, так что если вам статья понравилась, то присоединяйтесь к каналу и оцените ее лайком и репостом. Спасибо за ваше внимание!

Элемент Пельтье | Практическая электроника

Все вы знаете, что с помощью электрического тока можно нагревать какие-либо предметы. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, различного рода обогревашки и тд. Но слышали ли вы, что с помощью электрического тока можно охлаждать? “Ну а как же, например, бытовой холодильник” – скажите вы. И будете не правы. В бытовом холодильнике электрический ток  оказывает только вспомогательную функцию: гоняет фреон по кругу.

Что такое элемент Пельтье

Но существуют ли такие радиоэлементы, которые при подаче на них электрического тока вырабатывают холод? Оказывается существуют ;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, иными словами,  в этом месте наблюдалась пониженная температура. Ну и как положено в физике, чтобы не придумывать новое название этому эффекту, его называют в честь того, кто его открыл. Открыл что-то новое? Отвечай за базар)). С тех пор зовется такой эффект эффектом Пельтье.

Ну и как тоже ни странно, элемент, который вырабатывает холодок, называют элементом Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого основан на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. ThermoElectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Практический опыт с элементом Пельтье


Выглядеть он может по-разному, но основной его вид – это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами.  Сразу же отметил сторону “А” и сторону “Б” для дальнейших экспериментов

Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание “разности температур”? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, который шел в комплекте с термопарой

Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло ;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный – на минус и подаем чуток напряжения, вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона “А” охлаждается, а сторона “Б” греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность, ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье – это 12 Вольт. Так как  я подключил на красный  – плюс, а на черный – минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру.  Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:

77 градусов по Цельсию – это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

[quads id=1]

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который  дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:

7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример – это фонарик, работающий от тепла руки

Потребляемая мощность элемента Пельтье

Элемент Пельтье сам по себе считается очень энергозатратным. Регулировка температуры его сторон достигается напряжением. Чем больше напряжение, тем большую силу тока он потребляет. А чем больше силы тока он потребляет, тем быстрее набирает температуру. Поэтому, можно регулировать холодок, тупо меняя значение напряжения).

Вот некоторые  значения по потреблению электрического тока элементом Пельтье:

При напряжении в 1 Вольт он кушает 0,3 Ампера. Неплохо)

Повышаю напряжение до 3 Вольт

Кушает уже почти 1 Ампер.

Повышаю до 5 Вольт

Чуть больше полтора Ампера.

Даю 12 Вольт, то есть его рабочее напряжение:

Жрет уже почти 4 Ампера! Грабеж).

Давайте грубо посчитаем его мощность. 4х12=48 Ватт. Это даже больше, чем 40 Ваттная лампочка, которая висит у вас в кладовке). Если элемент Пельтье такой прожорливый, целесообразно ли из него делать бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно же нет! Такой холодильник у вас будет жрать Киловатт 10 не меньше! Но зато есть один маленький плюс – он будет абсолютно бесшумен :-). Но если нет никакой возможности, то делают холодильники даже из элементов Пельтье. Это в основном  мини холодильники для автомобилей. Также элемент Пельтье некоторые используют для охлаждения процессора на ПК. Получается  очень эффективно, но по энергозатратам лучше все-таки ставить старый добрый вентилятор.

Где купить элемент Пельтье


На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.

На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!

Вот ссылка на них

Z-MAX|Эффект Пельтье (принцип электронного охлаждения)

Термоэлектрический модуль (модуль Пельтье) называют также [1] термоэлектрический преобразователь, [2] термоэлектрический элемент, [3] полупроводниковый элемент, [4] элемент Пельтье, [5] термомодуль и[6] TEC.

Что такое эффект Пельтье

 Элемент Пельтье ? это полупроводниковый прибор, который может с помощью постоянного тока выполнять охлаждение, нагрев и температурный контроль. При пропускании постоянного тока, такой элемент может выполнять следующие функции.

Между сторонами элемента создается разница температур.

На холодной стороне тепло поглощается, а на горячей ? испускается; то есть, тепло перекачивается с холодной стороны на горячую, и элемент работает как тепловой насос.

Для изменения направления перекачки достаточно поменять полярность тока, а путем изменения силы подаваемого тока можно регулировать количество перекачиваемого тепла.

Таким образом можно просто осуществлять охлаждение, нагрев и температурный контроль.

Эволюция элемента Пельтье

 Эффект Пельтье был открыт 170 лет назад (в 1834 г. ), а его теоретическое обоснование было дано в начале 1900-х гг.; однако из-за использования металлов в качестве материалов эффективность теплообмена была низкой, и это открытие не нашло практического применения. Термоэлектрическое охлаждение стало использоваться в 1960-х гг. с разработкой полупроводниковых материалов, что позволило создать термоэлектрические элементы с высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью.

Преимущества термоэлектрического охлаждения

 По сравнению с обычным циклом охлаждения с использованием компрессора и хладагента (фреон и т. д.), термоэлектрическое охлаждение обладает следующими преимуществами.

1.

Поскольку не используется фреон и другие хладагенты, не оказывается отрицательного воздействия на окружающую среду.

2.

Малые размеры и вес.

3.

Свободный выбор формы.

4.

В зависимости от полярности тока, можно выполнять не только охлаждение, но и нагрев.

5.

Наличие функций охлаждения и нагрева позволяет выполнять температурный контроль в области комнатной температуры.

6.

Высокая чувствительность к температуре (возможность быстрого охлаждения или нагрева).

7.

Поскольку нет подвижных частей, отсутствуют вибрации и шум.

8.

Отсутствие изнашивающихся механических частей обеспечивает максимальную долговечность и надежность в качестве охладителя.

9.

Удобство в обращении благодаря наличию только одного электрического кабеля.

10.

Простота обслуживания ввиду отсутствия опасности утечки газообразного хладагента, агрессивных жидкостей и т. д.

Модули Пельтье в ПК: теория и практика

Тема охлаждения компонентов ПК волнует многих пользователей. Большинство из них ограничиваются стандартными воздушными кулерами, отдельные энтузиасты собирают СВО. А что же дальше? Наверняка те, кто серьезно интересовался разгоном, слышали о модулях Пельтье (или термоэлектрических модулях, далее по тексту – ТЭМ; английский вариант – TEC, Thermoelectric Cooler) и их применении в качестве тепло-отводов для сильно-греющихся элементов компьютера.

Однако зачастую даже базовую информацию по правильному использованию этих удивительных устройств найти трудно, отсюда – многочисленные ошибки тех, кто впервые с ними сталкивается. К слову, производители систем охлаждения также экспериментируют с модулями Пельтье, порой представляя на суд публики весьма любопытные концепты. Как работают ТЭМ, действительно ли они так уж небходимы в СО компьютера, как самостоятельно собрать нехитрые кулеры и избежать простейших ошибок, достаточно характерных для новичков, – обо всем этом мы расскажем в данном материале.

Немного теории

Чем же на самом деле являются модули Пельтье? В базовом определении это термоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на эффекте Пельтье, открытом в далеком 1834 году. Суть данного процесса заключается в возникновении разности температур в месте контакта материалов при протекании сквозь них электрического тока.

Мы не станем вдаваться в подробности истории открытия и научного обоснования специфики работы ТЭМ, поскольку этой теме можно посвятить целую диссертацию. Однако общие понятия упомянем.

Базовая схема устройства ТЭМ

Элементы Пельтье состоят из двух токопроводящих материалов (полупроводников) с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. Физика протекания тока через подобные вещества такова, что для перехода электронов им требуется определенная подпитка, получаемая в момент прохождения тока через спайку. В таком случае возможно перемещение частиц в высокоэнергетическую зону проводимости от одного материала к другому. Место соприкосновения полупроводников в момент поглощения энергии охлаждается. Изменение направления тока или перемещение электронов из более энергетической зоны в менее насыщенную приводит к нагреву места контакта. Помимо этого, в модулях Пельтье наблюдается тепловой эффект, характерный для любых веществ, сквозь которые пропускают электрический ток. Вообще процессы, присущие ТЭМ, проявляются и в месте контакта обычных металлов, однако определить их без сложных приборов почти нереально. Поэтому основой для модулей служат полупроводники.

Структура термоэлектрического элемента (модуля Пельтье)

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар полупроводниковых параллелепипедов разных типов (как в диодах или транзисторах, n- и p-типа). Современная индустрия для этих целей наиболее часто выбирает германид кремния и теллурид висмута. Полупроводники попарно соединяются металлическими перемычками из легкоплавких веществ. Последние выполняют роль термоконтактов и напрямую соприкасаются с керамической пластинкой или подставкой. Пары полупроводников соединены последовательно, разные виды проводимости контактируют друг с другом. С одной стороны модуля имеются лишь n->p-переходы, с другой – p->n. Течение тока вызывает охлаждение и нагревание противоположных групп контактов. Поэтому можно говорить о переносе током тепловой энергии с одной стороны модуля Пельтье на другую и, как следствие, возникновении разности температур на пластинке. Правильное применение модулей позволяет извлечь некоторые выгоды для промышленных, в том числе компьютерных СО. К слову, элементы могут быть использованы и в качестве электрогенераторов – основываясь на тех же принципах работы, физика протекающих внутри процессов объясняется эффектом Зеебека (условно говоря, тот же эффект Пельтье с «противоположным знаком»).

Плюсы и минусы применения ТЭМ

Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:

  • сравнительно небольшие габариты;
  • возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;
  • отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.

В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:

В USB-холодильнике также используется модуль Пельтье
  • низкий КПД модулей;
  • необходимость наличия источни- ка тока для их работы;
  • большая потребляемая мощ- ность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло- выделение;
  • ограниченные габариты и полезные характеристики.

Однако, невзирая на негативные характеристики модулей Пельтье, они нашли свое применение в ряде продуктов. ТЭМ выгодны в первую очередь там, где энергетическая эффективность охладителя некритична, чем меньше – тем лучше. Элементы служат для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах, позволяющих добиться заметного уменьшения теплового шума при длительных экспозициях. Модули Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с целью стабилизации длины волны их излучения. Возможно использование нескольких ТЭМ, составленных последовательно в виде каскадов (холодная сторона одного охлаждает горячую другого), благодаря чему реально достичь очень низких температур для устройств, обладающих малым тепловыделением. Элементы Пельтье – основа компактных холодильников, в первую очередь автомобильных. Их применяют и в миниатюрных сувенирах из области компьютерной периферии, и в производительных СО в качестве основных или вспомогательных компонентов. Именно о последнем варианте мы и поговорим более подробно.

Модули Пельтье в ПК: практика

Элемент Пельтье размещается между водоблоком и медной «буферной» пластинкой

При переходе к практической реализации СО на базе ТЭМ нужно сделать несколько оговорок, которые позволят правильно подобрать параметры итоговых конструкций. Нередко эксперименты новичков заканчиваются плачевно: либо температуры на «холодной» стороне модулей во время работы получаются выше, чем на горячей, либо системы демонстрируют откровенно слабые результаты даже по сравнению со стоковыми кулерами без элементов Пельтье. Причины зачастую кроются в неправильном расчете (или построении СО наугад). Дело в том, что любой ТЭМ имеет свои штатные характеристики, обычно выделяют два значения (рассмотрим их на примере модуля ТЕС1-12709 с заявленной максимальной мощностью 136 Вт), например, пишут, что ΔTmax Qcmax=0(°С) 66 и Qcmax ΔTmax=0(W) 89. 2. Перефразируя данное выражение: модуль способен обеспечить максимальный перепад температур между сторонами, равный 89,2 ºС при отсутствии тепловой нагрузки и 0 ºС при наличии таковой на «холодную» сторону 66 Вт. Таким образом, полезная нагрузка модуля лежит в пределах от 0 до 66 Вт, в идеале – чем меньше – тем лучше и тем большую разницу температур обеспечит ТЭМ. В то же время любой модуль имеет другую характеристику – максимальную потребляемую мощность, которую тоже нужно отвести от него с помощью системы охлаждения. Для рассматриваемого ТЕС1-12709 Umax (В) равно 15.2 В, I max- 9 А. Следовательно, при указанных параметрах имеем энергопотребление 136,8 Вт, что, согласитесь, немало.

Система охлаждения должна успешно отводить тепло непосредственно от модуля (обеспечивая максимально возможную низкую температуру «горячей» стороны) и компонентов ПК. Примерный КПД такой системы можете вычислить сами – при полезной составляющей в 150–200 Вт (приблизительно столько выделяют современные разогнанные CPU) для получения хоть каких-то видимых результатов придется затратить не менее 600–800 Вт электрической мощности и отвести не менее киловатта тепловой. Именно поэтому производительные СО на базе модулей Пельтье не получили широкого распространения. Впрочем, прецеденты сравнительно успешной реализации гибридных кулеров известны, а мы попытаемся создать свои – маломощный и оптимальный. Чтобы избежать ограничений в виде недостаточного теплоотвода, на «горячую» сторону ТЭМ поместим производительные водоблоки, подключенные в контур СВО. Кстати, модули Пельтье нельзя устанавливать непосредственно на ядро/теплораспределительную крышку чипов – тонкая керамическая подкладка не способна поддерживать эффективную теплопередачу ко всем полупроводниковым парам, составляющим ТЭМ. Для этой цели лучше всего подойдет промежуточный «буфер» – медная пластинка толщиной 5–7 мм, полностью закрывающая поверхность модуля. К слову, оптимальный режим эксплуатации элементов Пельтье обеспечивается при пониженных напряжении и потребляемом токе. Приближение этих параметров к максимальным существенно повышает тепловую отдачу пластины, однако не так ощутимо – полезную составляющую.

Мы решили по максимуму охладить графический чип видеокарты Radeon HD 4350 и CPU Core 2 Duo E8500, попытавшись разогнать данные компоненты. Для отвода тепла от GPU использовались уже упомянутый ТЕС1-12709 (максимальная потребляемая мощность – 136 Вт) и самодельный медный водоблок, в паре с процессором работали ТЕС1-12726 (395 Вт) и один из лучших промышленных водоблоков Swiftech Apogee GT. Модули подключались напрямую к компьютерному БП в 12-вольтовую цепь. Применение киловаттного be quiet! Dark Power PRO BQT P6PRO-1000W давало все основания не переживать за недостаток мощности для питания ПК и элементов системы охлаждения. В контуре СВО трудились два «двойных» радиатора под 120-миллиметровые вентиляторы и помпа Hydor Seltz L30 (производительностью 1200 л/ч на холостом ходу).

Основа мощного чиллера – «бутерброд» из трех водоблоков и восьми ТЭМ, расположенных между ними

В случае охлаждения компонентов до температур ниже комнатных (в частности, ниже «точки росы») стоит ожидать появления конденсата на переохлажденных поверхностях. Понятно, что вода в таком виде является главным врагом пользователя, и ее выделение необходимо предупредить. Делается это путем тщательной теплоизоляции любых поверхностей (частей РСВ, околосокетного пространства с обеих сторон платы, собственно ТЭМ, теплораспределителя процессора и GPU) материалами, не пропускающими воздух. Лучше всего для этих целей подходит стандартный теплоизоляционный материал для труб водоснабжения (на основании вспененного каучука), специальные замазки, отдельные виды поролона, поставляемого в комплекте с компонентами ПК, на худой конец термопаста и бумажные салфетки. В последнем случае допустима эксплуатация ПК лишь для проведения кратковременных бенчинг-сессий. Теплоизоляция обеспечит повышение общего КПД установки.

Итоговые температуры, полученные в различных режимах работы компонентов, их сравнение с показателями, обеспечиваемыми исключительно системой водяного охлаждения, приведены в диаграмме. Как видите, модули Пельтье позволили понизить температуру компонентов ощутимо ниже комнатной (в зависимости от загрузки). В таких условиях не составило особого труда разогнать процессор до частоты 4,3 ГГц с повышением напряжения питания до 1,35 В, а GPU заставить функционировать на 800 МГц (штатное значение – 600 МГц). В то же время мы получили ощутимый нагрев СО тестового стенда (в корпусе ситуация усугубилась бы более существенно) и резкий рост уровня энергопотребления ПК (собственно, вся конструкция потребляет больше, чем отдельно взятый компьютер на базе компонентов тестового стенда). Подобное решение однозначно пригодится в зимнюю пору, однако летом вряд ли порадует большинство пользователей.

Готовы ли вы на такие жертвы ради достижения сравнительно низких температур на компонентах ПК? Решайте сами, но помните о базовых советах, приведенных в этой части материала, – они помогут правильно применить модули Пельтье на практике. Использование систем охлаждения на основе ТЭМ разумно и оправданно в случае с маломощными компонентами (чипсетами материнских плат, GPU низко- и среднеуровневых видеокарт). Не забывайте и о теплоизоляции охлаждаемых элементов – ведь конденсат является главным врагом системы во время экспериментов с ТЭМ.

Выводы

Подытоживая вышесказанное относительно особенностей работы модулей Пельтье и целесообразности их практического применения, повторимся: ТЭМ имеют упомянутые преимущества и недостатки, которые не позволяют дать однозначного ответа на вопрос: «А стоит ли…?» Их использование оправданно для отвода незначительных тепловых нагрузок (именно к таковым относятся компактные холодильники, термостатированные лазеры; СО для маломощных компонентов ПК – чипсетов и отдельных GPU).

На базе элементов Пельтье можно создавать различные самодельные охлаждающие и нагревающие устройства, существуют примеры успешной реализации маломощных генераторов. Но прежде чем заниматься изготовлением подобных конструкций, ознакомьтесь все же с теоретической составляющей – предварительная подготовка избавит от ошибок и сэкономит время в момент практического воплощения проектов.

Говорить о применении модулей Пельтье в ПК следует достаточно осторожно: прочитав о получении низких температур на охлаждаемых элементах, новички часто забывают о значительной потребляемой и выделяемой мощности подобных СО, не учитывают параметры и «запас прочности» отдельно взятой конструкции. ТЭМ заинтересуют в первую очередь оверклокеров, для которых любой выигрышный градус и каждый мегагерц важны. Рассматриваемые элементы – промежуточное звено между классическими системами водяного охлаждения и чиллерами или фреонками, работающими по принципу фазового перехода. Впрочем, применение ТЭМ отнюдь не назовешь простым, поэтому прежде чем приступать к серьезным экспериментам, тщательно взвесьте все «за» и «против».

Готовые СО на базе ТЭМ

Модули Пельтье используются производителями систем охлаждения для ПК в качестве основных и вспомогательных компонентов кулеров. Порой из этого получаются эффектные действенные устройства, иногда все выходит не так гладко, как изначально задумывалось. Мы решили вспомнить об основных СО, применяющих ТЭМ, которым прочили роль революционеров своего времени.

Thermaltake SubZero4G Один из первых кулеров с элементом Пельтье, наделавший сравнительно много шума в сфере охлаждения CPU (2003 год). Однако невысокий запас прочности, значительное по тем временам энергопотребление, громоздкость конструкции и шумность в работе не позволили ему закрепиться на рынке. Появись эта модель на год-два раньше – возможно, все обернулось бы иначе.

Titan Elena Суперкулер для видеокарт, построенный по тому же принципу, что и Titan Amanda: одна половина радиатора работает непосредственно на отвод тепла от GPU, другая охлаждает горячую сторону ТЭМ. В свое время оказался одним из лучших во время тестирования СО для графических адаптеров. (Мы писали о нем в «Домашнем ПК» в 2007 году.)

Swiftech MCW6500-T Самое мощное современное решение для охлаждения CPU, использующее элемент Пельтье. Представляет собой производительный водоблок, отводящий тепло от ТЭМ (около 400 Вт потребляемой электрической мощности), который, в свою очередь, создает оптимальный температурный режим процессора. Эта система способна обеспечить функционирование Core i7 на частоте порядка 4 ГГц при температуре около 0 ºС (режим простоя) и 20–30 ºС в режиме максимальной нагрузки.

Swiftech MCW60-T Аналогично процессорному решению представляет собой высокопроизводительный водоблок для графического адаптера, дополненный модулем Пельтье. В зависимости от TDP видеочипа способно удерживать его температуру на уровне комнатной или ниже.

Cooler Master V10 Элементы Пельтье этой СО охлаждают часть тепловых трубок. Подход достаточно интересный и правильный, применение модулей позволяет сбить пару-тройку градусов на процессоре. Однако экономическая целесообразность такого хода – под большим вопросом, ввиду того что V10 при существенной цене не в состоянии обогнать лучшие воздушные суперкулеры. Скорее всего, виноваты особенности конструкции и недостаточная мощность ТЭМ.

Titan Amanda Серия достаточно современных процессорных суперкулеров на тепловых трубках, использующих термоэлектрический модуль (2007–2008 гг). Часть радиатора отводила тепло непосредственно от ТЭМ, тогда как другая половина охлаждала греющийся компонент. Подобный подход к проектированию позволяет избежать резкой перегрузки СО вследствие превышения лимитов тепловыделения модуля Пельтье. Кулеры линейки Amanda демонстрировали отличные результаты с процессорами, обладающими сравнительно невысоким TDP.

XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project

Владельцев СВО и тех, кто собирается обзавестись жидкостными системами, могут заинтересовать так называемые чиллеры на базе элементов Пельтье. В зависимости от типа подключения ТЭМ в контур они позволят немного понизить температуру теплоносителя, а при создании мощных СО даже обеспечат температуру хладагента, близкую к нулевой.

Известный нашим читателям энтузиаст Wehr-Wolf давно интересовался затронутой темой эффективного охлаждения компонентов ПК и их дальнейшего экстремального разгона. Начиналось все в далеком 2005 году с теоретических набросков, рассуждений и одного из главных компонентов системы – массивного «бутерброда», состоящего из больших водоблоков. Однако заброшенные на длительное время задумки удалось реализовать лишь совместно с автором данного материала, в середине этого года запустив энтузиастский проект XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project.

Первый пуск ТЭМ-чиллера в полевых условиях

Принцип работы системы достаточно прост: модули Пельтье (8 ТЭМ с максимальной потребляемой мощностью 136 Вт каждый) охлаждают с двух сторон большой медный водоблок, а сами, в свою очередь, охлаждаются аналогичными водоблоками. «Холодный» и «горячий» контуры СВО полностью разделены между собой. Для питания такого количества ТЭМ в процессе первого запуска использовались два компьютерных БП с общей заявленной мощностью 1200 Вт, в качестве охладителя «горячего» контура выступала СЖО с двумя радиаторами под два 120-миллиметровых вентилятора каждый, прокачиваемая мощной помпой. Однако даже такой СВО оказалось недостаточно, и радиаторы пришлось продувать высокопроизводительными промышленными вентиляторами. В «холодный» контур были подключены помпа Hydor L20 II и водоблок Swiftech Apogee GT, охладителем выступал большой водоблок, контактирующий с «холодной» стороной ТЭМ. В результате первого эксперимента удалось добиться температуры воды в контуре порядке 5–7 ºС, при этом в качестве нагрузки для системы использовался процессор Core i7 965 Extreme Edition, разогнанный до частоты 4 ГГц.

С одной стороны, полученные результаты действительно впечатляют – подобные температуры при таких нагрузках способны обеспечить разве что чиллеры на основе систем фазового перехода, с другой – а стоит ли овчинка выделки? Чудовищная потребляемая мощность системы, громоздкая СО «горячего» контура, высокая общая стоимость оправдываются лишь концептуальным статусом XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project, на данный момент находящимся в стадии доработки.

Элемент Пельтье(генератор Зеебека) принцип действия, обознач…

Привет, Вы узнаете про элемент пельтье, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое элемент пельтье,генератор зеебека , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

элемент пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Конструкция

Структурный пример элемента Пельтье. Металлические электроды и полупроводники p-типа и n-типа попеременно соединены в π-форме между верхней и нижней пластинами теплового излучения.

Схематический рисунок элемента Пельтье

Принцип действия

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.

Вид сбоку на элемент Пельтье. Электрический ток протекает через полупроводники в форме куба между верхней и нижней частью.

Вскрытый элемент

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi2Te3 и твердого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей пленкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу — противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создает разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится еще ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это дает возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведет к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

  • Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
    • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
    • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
    • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
  • Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
  • Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
  • Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
  • К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
  • Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
  • Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
  • Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
  • Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
  • Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Многокаскадные термоэлектрические модули

Многокаскадные модули применяются в системах глубокого охлаждения, холодильниках с большим перепадом температур, системах охлаждения научных, исследовательских и специальных приборов. Также используются для охлаждения ИК фотоприемников, детекторов рентгеновского излучения и других датчиков.

Основные области применения:

  • охлаждение ПЗС матриц и ИК фотоприемников
  • камеры холода и замораживатели
  • термостаты
  • научные лабораторные приборы
  • термокалибраторы
  • ступенчатые охладители
  • охладители и термостабилизаторы датчиков различного назначения
  • приборы ночного видения

Технологические особенности

Для верхних каскадов многокаскадных модулей мы используем оптимизированный термоэлектрический материал, который позволяет получать большую величину ?Т при меньшем количестве каскадов. Это позволяет производить многокаскадные модули с оптимальными весо-габаритными характеристиками и низким энергопотреблением.

Мы также предлагаем нашим заказчикам термоэлектрические модули установленные или непосредственно интегрированные в стандартные — ТО (ТО3, ТО8 и др.), HHL, DIL, butterfly или специальные корпуса.

Таблица используемых сокращений

ТЭМ термоэлектрический модуль
ТГМ термоэлектрический генераторный модуль
DTmax максимально достижимая разница температур между сторонами термоэлектрического модуля
Imax максимальный электрический ток через термоэлектрический модуль, соответствующий режиму максимальной разницы температур
Umax максимальное электрическое напряжение на контактах термоэлектрического модуля, соответствующее режиму максимальной разницы температур
Qmax максимальная холодопроизводительность (холодильная мощность) термоэлектрического модуля. Определяется при максимальном токе через термоэлектрический модуль и нулевой разности температур между его сторонами
Rac электрическое сопротивление термоэлектрического модуля, измеренное на переменном токе с частотой 1 кГц

Примеры схем с элементами Пельтье и обозначение

Рис.1. Схемы подключения нагревательных элементов к микроконтроллеру:

а) охлаждение объектов модулем Пельтье EK1 фирмы «Криотерм» (размеры 40x40x3.4 мм). Светодиод HL1 индицирует состояние «Заморозить/Разморозить». Транзистор K77 подключается к MK напрямую, без резисторов, поскольку элемент EK1 весьма инерционный и помехи , которые теоретически могут открыть транзистор VT1 при рестарте MK, на него мало влияют;

б) подключение к MK низковольтного элемента Пельтье фирмы Melcor. Параметры EK1: мощность 5.3 Вт, рабочий ток 2.5 А при напряжении 3.75 В, максимальная разность температур между «холодной» и «горячей» поверхностями 67°С, габаритные размеры 15x15x4 мм.

Применение

Элементы Пельтье можно использовать везде, где требуется охлаждение с небольшой разницей температур или без экономических требований. Термоэлектрические элементы используются, например, в холодных ящиках , в которых использование холодильной машины запрещены по соображениям пространства или не было бы выгодно , так как требуемая мощность охлаждения невелика. Разница температур внутри и снаружи просто возникает неконтролируемым образом. КПД низкий. Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, малогабаритных автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, так как применение компрессорной холодильной установки в этом случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счет этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных).

Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота. До азотного охлаждения использовали именно такой способ.

«Электрогенератор Пельтье» (более корректно было бы « генератор зеебека », но неточное название устоялось) — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль, аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:

  1. непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,
  2. источник тепловой энергии для нагрева преобразователя (например, газовая или бензиновая горелка, твердотопливная печь и т. д.)

Элементы Пельтье используются для охлаждения особо длинноволновых или чувствительных ПЗС-датчиков . Это значительно снижает шум изображения при длительной выдержке (например, в астрофотографии ) . Многоступенчатые элементы Пельтье используются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных датчиках.

Элементы Пельтье также все чаще используются в лабораторных измерительных приборах, для которых температура является важным параметром, таких как устройства измерения плотности , вискозиметры , реометры или рефрактометры .

В гигрометрах с охлаждаемыми зеркалами один или несколько элементов Пельтье, соединенных последовательно, обычно охлаждают зеркало до -100 ° C. Здесь используется то обстоятельство, что охлаждающая способность элементов Пельтье может быстро регулироваться электрически.

Диодные лазеры часто охлаждаются и термостатируются с помощью элементов Пельтье , чтобы сохранить постоянную длину волны излучения и / или эффективность. Последующие оптические элементы диодных и других лазеров часто термостатируются элементами Пельтье.

Элементы Пельтье можно использовать как для охлаждения, так и — при изменении направления тока — для нагрева.

Элементы Пельтье иногда используются в составе кулеров ЦП . Элемент Пельтье позволяет процессору остыть до температур ниже температуры внутри корпуса, что либо позволяет разгонять процессор без ущерба для стабильности, либо увеличивает срок службы процессора. Элемент устанавливается на дне радиатора с вентилятором и питается от блока питания необходимой мощностью. Однако до настоящего времени такие решения не принесли успеха из-за их дополнительного потребления энергии, используемая электрическая энергия выделяется внутрь корпуса в виде отработанного тепла.

Фотодиоды , например B. для считывающих сцинтилляторов , из-за их небольшой площади могут охлаждаться элементами Пельтье и, таким образом, уменьшать шум и темновой ток.

Элементы Пельтье используются в камерах диффузионного тумана для поддержания разницы температур между дном и крышкой.

В термоциклерах , которые сегодня являются частью основного оборудования в молекулярной биологии , используются элементы Пельтье для быстрого нагрева и охлаждения образцов, что необходимо, например, в полимеразной цепной реакции .

Элементы Пельтье иногда используются в небольших осушителях воздуха . Здесь влажный воздух проходит через охлаждающий элемент, а содержащаяся в нем вода конденсируется по мере охлаждения и затем собирается в сборный контейнер.

На этом все! Теперь вы знаете все про элемент пельтье, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое элемент пельтье,генератор зеебека и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Эффект Пельтье и термоэлектрическое охлаждение


Эффект Пельтье это явление, которое потенциально разница применяется через термопара вызывает температуру разница между стыками разных материалы в термопаре.

Этот эффект противоположен Эффект Зеебека (назван в честь ученого, открывшего его в 1821 году). В Эффект Зеебека заключается в том, что если разные металлы соединены в двух отдельные места, а перекрестки хранятся в разных температуры, то разность потенциалов между «спаями» ( перекрестки).

Позже, в 1834 году, Жан Пельтье обнаружил, что противоположность Зеебека эффект также верен: что разность потенциалов (и, следовательно, ток) может вызвать перепад температур, независимо от окружающей среды. температура есть.

Так как горячий спай можно разместить вне утепленная область, а холодный спай может быть размещен внутри области, Пельтье эффект можно использовать для охлаждения области (или объекта).

Элементы Пельтье (термоэлектрические охладителей)

Метод термоэлектрического охлаждение (с использованием эффекта Пельтье) полезен, потому что он может охладить объект без каких-либо движущихся частей или другого сложного оборудования, которое изолирует прохладнее из окружающей среды.Устройства, которые построенные, чтобы воспользоваться этим явлением, известны как Пельтье. элементы, или термоэлектрические кулеры (ТИК). Основные идеи из простых Элементы Пельтье можно соединять последовательно, чтобы получить гораздо больше сложный Пельтье модули (также известные как практические ТИК), которые обладают большей охлаждающей способностью. Тем не менее величайший разница температур между радиатором и прохладной областью для Устройство Пельтье имеет температуру порядка 50 ° C.
Общие области применения элементов Пелье включают: охлаждение компонентов компьютера, особенно процессора.

Наиболее распространенное сочетание материалов в термопарах Элементами Пельтье (ТЕС) являются два полупроводника висмут и Теллурид. Как правило, TEC состоит из кубиков или гранул. сделал полупроводников, каждый из которых контактирует с радиаторами на горячей и холодной стороне элемента Пельтье. Эти кубики находятся «легированный» — то есть добавляются дополнительные примеси, так что там лишние или меньшее количество свободных электронов в каждом кубе. В полупроводник кубы с лишними свободными электронами (и поэтому несут в основном отрицательный заряд) известны как полупроводники N-типа, а те, у которых мало свободных электронов (и несут в основном положительный заряд) являются полупроводниками P-типа.В пары полупроводниковых кубов P и N устанавливаются и соединяются в массив так, чтобы пары имели последовательное электрическое соединение, но тепловое параллельное соединение. Когда ток подается на это система (TEC), способ протекания тока через полупроводники вызывает разность температур и приводит к тому, что сторона радиатора Элемент Пельтье для нагрева, а холодная сторона — для охлаждения (или охлаждения). все, что находится в тепловом контакте с этой стороной).



An вид изнутри ТЕС (элемент Пельтье).
p6.gif>


Элемент Пельтье, с керамические пластины для частичной изоляции
внутри из внешней среды.

Сторона радиатора TEC становится очень горячо, поэтому необходимо иметь вентилятор и / или какой-то радиатор, чтобы рассеять это нагревать.В противном случае весь ТЭО начнет нагреваться, и шт слились бы вместе.
«Нормальные» элементы Пельтье примерно несколько сантиметров толщиной и сторона в несколько миллиметров или сантиметров. Чтобы получить больше охлаждение способностей, отдельные элементы соединяются в стеки, или они могут быть подключенным в некоторой комбинации последовательного и параллельного электрического соединения.


Модуль Пельтье с Вентилятор и радиатор
отводят тепло от радиатора.
p6.gif>



.
S H Цена 26 марта 2007 Веб-проект Physics 212

Основные термоэлектрические принципы — термоэлектрические

2.0 Основные принципы термоэлектрических модулей и материалов

2.1 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ: Термоэлектрический полупроводниковый материал, наиболее часто используемый в современных ТЭ-охладителях, представляет собой сплав теллурида висмута, который был соответствующим образом легирован для получения отдельных блоков или элементов, имеющих различные характеристики «N» и «P».Термоэлектрические материалы чаще всего изготавливают либо направленной кристаллизацией из расплава, либо прессованной порошковой металлургией. Каждый метод производства имеет свои особые преимущества, но наиболее распространены материалы, выращенные в направлении роста. В дополнение к теллуриду висмута (Bi 2 Te 3 ) существуют другие термоэлектрические материалы, включая теллурид свинца (PbTe), кремний-германий (SiGe) и сплавы висмут-сурьма (Bi-Sb), которые могут использоваться в определенных ситуации. Фигура 2.1) иллюстрирует относительную производительность или добротность различных материалов в диапазоне температур. Из этого графика видно, что характеристики теллурида висмута максимальны в диапазоне температур, который лучше всего подходит для большинства систем охлаждения.

ПРИБЛИЗИТЕЛЬНАЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТЬ (Z) ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТЕ

Рисунок (2.1) Характеристики термоэлектрических материалов при различных температурах

2.1.1 МАТЕРИАЛ ТЕЛЛУРИДА ВИСМУТА: Материал кристаллического теллурида висмута имеет несколько характеристик, заслуживающих обсуждения. Из-за кристаллической структуры Bi 2 Te 3 по своей природе сильно анизотропен. Это приводит к тому, что удельное электрическое сопротивление материала параллельно оси роста кристаллов (ось C) примерно в четыре раза больше, чем при перпендикулярной ориентации. Кроме того, теплопроводность параллельно оси C примерно в два раза больше, чем в перпендикулярном направлении.Поскольку анизотропное поведение удельного сопротивления больше, чем поведение теплопроводности, максимальная производительность или добротность достигается при параллельной ориентации. Из-за этой анизотропии термоэлектрические элементы должны быть собраны в охлаждающий модуль так, чтобы ось роста кристалла была параллельна длине или высоте каждого элемента и, следовательно, перпендикулярна керамическим подложкам.

Есть еще одна интересная характеристика теллурида висмута, которая также связана с кристаллической структурой материала.Кристаллы Bi 2 Te 3 состоят из гексагональных слоев одинаковых атомов.

В то время как слои висмута и теллура удерживаются вместе прочными ковалентными связями, слабые ван-дер-ваальсовые связи связывают прилегающие слои [Te¹]. В результате кристаллический теллурид висмута легко расслаивается по этим слоям [Te¹] [Te¹], и его поведение очень похоже на поведение листов слюды. К счастью, плоскости спайности обычно проходят параллельно оси C, и материал достаточно прочный, когда он собран в термоэлектрический охлаждающий модуль.

2.1.2 Материал теллурида висмута, полученный путем направленной кристаллизации из расплава, обычно изготавливается в виде слитка или були, а затем нарезается на пластины различной толщины. После того, как поверхности пластины были должным образом подготовлены, пластина разрезается на блоки, которые могут быть собраны в термоэлектрические охлаждающие модули. Блоки материала теллурида висмута, которые обычно называют элементами или кубиками, также могут быть изготовлены методом прессованной порошковой металлургии.

2.2 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ ОХЛАЖДЕНИЯ: Практичный термоэлектрический охладитель состоит из двух или более элементов из полупроводникового материала, которые электрически соединены последовательно, а термически — параллельно. Эти термоэлектрические элементы и их электрические соединения обычно устанавливаются между двумя керамическими подложками. Подложки служат для механического удержания всей конструкции вместе и для электрической изоляции отдельных элементов друг от друга и от внешних монтажных поверхностей.После объединения различных составных частей в модуль могут быть сконструированы термоэлектрические модули размером примерно от 2,5 до 50 мм (от 0,1 до 2,0 дюймов) в квадрате и от 2,5 до 5 мм (от 0,1 до 0,2 дюйма) в высоту.

Рисунок (2.2) Принципиальная схема типичного термоэлектрического охладителя

2.2.1 В термоэлектрическом охладителе используются термоэлектрические материалы из теллурида висмута N-типа и P-типа. Такая компоновка заставляет тепло проходить через охладитель только в одном направлении, в то время как электрический ток попеременно перемещается вперед и назад между верхней и нижней подложками через каждый N- и P-элемент.Материал N-типа легирован так, что в нем будет избыток электронов (больше электронов, чем необходимо для завершения идеальной структуры молекулярной решетки), а материал P-типа легирован так, что в нем будет недостаток электронов (меньше электронов, чем необходимо. чтобы завершить идеальную решетчатую структуру). Дополнительные электроны в материале N и «дырки», возникающие из-за недостатка электронов в материале P, являются носителями, которые перемещают тепловую энергию через термоэлектрический материал. Фигура 2.2) показан типичный термоэлектрический охладитель, в котором тепло перемещается в результате приложенного электрического тока (I). Большинство термоэлектрических охлаждающих модулей изготавливаются с равным количеством элементов N-типа и P-типа, где одна пара элементов N и P образуют термоэлектрическую «пару». Модуль, показанный на рисунке (2.2), имеет две пары элементов N и P и называется «двухпарным модулем».

Тепловой поток (тепло, активно прокачиваемое через термоэлектрический модуль) пропорционален величине приложенного постоянного электрического тока.Изменяя входной ток от нуля до максимума, можно регулировать и контролировать тепловой поток и температуру.

6.28 Термоэлектрические приложения

6.28 Термоэлектрические приложения
Квантовая механика для инженеров © Леон ван Доммелен


Подразделы


6.28 термоэлектрических применений

Термоэлектрические эффекты можно использовать для создания твердотельного охлаждения. устройств, или для определения разницы температур, или для преобразования теплового энергия напрямую в электричество. В этом разделе объясняется основные принципы.

Есть три различных термоэлектрических эффекта. Их называют Эффекты Пельтье, Зеебека и Томсона после исследователей, которые первыми наблюдал за ними.Томсон более известен как Кельвин.

Эти эффекты совершенно не характерны для полупроводников. Однако полупроводники особенно подходят для термоэлектрических приложения. Причина в том, что природа носителей тока в полупроводниках можно манипулировать. Это делается путем допирования материал, как описано в разделе 6.23. В Легированный полупроводник n-типа, токи переносятся мобильными электроны.В легированном полупроводнике p-типа токи равны переносятся подвижными дырками, квантовыми состояниями, из которых электроны отсутствует. Электроны — это отрицательно заряженные частицы, но дырки действуют как положительно заряженные. Это потому, что отрицательно заряженный электрон отсутствует в дырке.


6.28.1 Эффект Пельтье

Термоэлектрическое охлаждение может быть достигнуто за счет так называемого Эффект Пельтье. Верхняя часть рисунка 6.37 показана схема охладителя Пельтье. Типичное устройство состоит из блоки полупроводника, такого как теллурид висмута, которые попеременно легированные n-типа и p-типа. Блоки электрически соединены полосками из металла, такого как медь.

Соединения выполнены таким образом, что при прохождении тока через устройство, как электроны n-типа, так и p-типа отверстия перемещаются к одной стороне устройства.Например, в рис. 6.37 и электроны, и дырки перемещаются в верхнюю часть устройство. Однако в блоках p-типа ток направлен вверх и вниз в блоках n-типа. (Поскольку электроны отрицательно заряжены, их ток направлен в направлении, противоположном их движению.) Тот же ток, который входит в металлическую полосу из одного блока, уходит из снова разделите другой блок.

Рисунок 6.37: Охлаждение Пельтье.Вверху: физическое устройство. Внизу: электронные энергетические спектры полупроводниковых материалов. Квантовые состояния, заполненные электронами, показаны красным цветом.

Теперь рассмотрим металлическую полосу в верхней части устройства на рисунке. 6.37. Такую полосу нужно впитать в поток электроны зоны проводимости от полупроводникового блока n-типа A. Он должен сбросить такое же количество электронов в дырки валентной зоны. поступающий из полупроводникового блока p-типа B для устранения их.Как показано верхней стрелкой между спектрами на внизу рисунка 6.37, это снижает энергию электроны. Таким образом выделяется энергия, и верхние полоски нагреваются.

Однако нижняя полоска должна выводить электроны из валентной полоса полупроводника B p-типа для создания выходящих дырок. Он должен поместить эти электроны в зону проводимости Полупроводник n-типа A. Это требует энергии, поэтому нижняя часть полоски теряют энергию и остывают.Вы можете думать об этом как испарительное охлаждение: нижние полосы должны отдавать свои электроны с максимальной тепловой энергией.

В итоге охладитель Пельтье действует как тепловой насос, который удаляет тепло с холодной стороны и добавляет его к горячей стороне. Может поэтому обеспечьте охлаждение на холодной стороне. На момент пишет, что охладители Пельтье потребляют гораздо больше энергии для работы, чем устройство на основе хладагента с такой же охлаждающей способностью.Однако устройство намного проще, и поэтому больше подходит для различных небольшие приложения. И он может легко регулировать температуру; простой изменение направления тока превращает холодную сторону в горячую.

Обратите внимание, что в то время как устройство Пельтье соединяет типы p и n полупроводники, он не работает как диод. В частности, даже в нижние полоски нет необходимости поднимать электроны над полосой промежуток полупроводника для создания новых электронов и дырок.Медь не имеет запрещенной зоны.

Это правда, что нижние полоски должны выводить электроны из валентную зону p-типа и поместите их в n-тип зона проводимости. Однако, поскольку спектры внизу рисунка 6.37, энергия, необходимая для этого, намного меньше, чем запрещенная зона. Причина в том, что спектр p-типа приподнят относительно n-типа. Это эффект электростатические потенциальные энергии, которые различаются в двух полупроводники.Даже в тепловом равновесии спектры находятся на неравные уровни. В частности, в равновесии электростатический потенциалы регулируются так, чтобы химические потенциалы, показанные красной галочкой отметки в спектрах выстраиваются в линию. Приложенное внешнее напряжение тогда еще больше уменьшает разницу в энергии.

В более общем плане анализ охлаждения Пельтье можно сформулировать в терминах свойств задействованных материалов. «Коэффициент Пельтье» материала определяется как тепловой поток, создаваемый электрическим током, принятый на единицу тока.

(6,38)

Вот ток через материал и тепло поток, который он вызывает. Другими словами, коэффициент Пельтье — это тепловая энергия, переносимая на единицу заряда. Это дает ему единицы СИ вольт.

Теперь рассмотрим энергетический баланс верхней полосы на рисунке. 6.37. Электрический ток течет из материала А к материалу В через полосу.(Этот ток отрицательный, поскольку показано, но это не важно для общей формулы.) ток приносит с собой тепловой поток из материала А, который впадает в полосу. Но другой тепловой поток покидает полосу через материал Б. Разница между тем, что входит, и тем, что гаснет то, что остается внутри полосы для ее нагрева:

(6,39)

Это уравнение в целом справедливо; A и B не должны быть полупроводники.Разница в материальных коэффициентах Пельтье составляет называется коэффициентом Пельтье перехода.

Для верхних полос на рис. 6.37 это отрицательный. Кроме того, как обсуждается ниже, n-тип будет отрицательным, а р-тип положительный. Это заставляет чистое тепло течь в полоска положительная в порядке. Отметим также, что противоположные знаки коэффициентов Пельтье n-типа и p-типа действительно помогают сделать чистый тепловой поток как можно большим.

Если в полупроводниках есть температурный градиент, к току, и будет, он тоже создаст тепловой поток, {A.11}. Этот тепловой поток можно найти, используя то, что известно как закон Фурье. Это плохая новость, так как он отводит тепло от горячего. сторону и ведет ее в холодную сторону.

Более количественное понимание эффекта Пельтье можно получить используя некоторые приблизительные коэффициенты Пельтье.Снова рассмотрим спектры на рисунке 6.37. В полупроводнике n-типа каждый электрон проводимости имеет энергию на единицу заряда около


Здесь в знаменателе — заряд электрона, а в числителе — энергия внизу зона проводимости. Предполагалось, что типичный электрон в зона проводимости имеет дополнительную случайную тепловую энергию, равную классическое значение.Далее химическая потенциал, или уровень Ферми, был принят за нулевой уровень энергия.

Причина для последнего связана с тем, что в тепловое равновесие, все соприкасающиеся твердые тела имеют одинаковый химический состав потенциал. Это делает химический потенциал удобным справочным материалом. уровень энергии. Идею можно описать графически в терминах спектры рисунка 6.37. В спектрах химическая потенциал обозначен красными галочками на вертикальных осях.Теперь снова рассмотрим изменение энергии при переносе электронов между материалы n- и p-типа. Что определяет это как электроны n-типа намного выше по энергии, чем химический потенциал и сколько электронов помещают в p-тип отверстия ниже, чем это. (Предполагается, что ток остается небольшим достаточно, чтобы химические потенциалы в двух полупроводниках оставались уровень. В противном случае теоретическое описание стало бы намного больше. сложно.)

Как видно из этого рисунка, для отверстий в р-типе полупроводник, следует считать, что энергия возрастает вниз в электронном спектре. Для создания дыры требуется больше энергии. поднимая электрон на уровень Ферми, если дырка находится ниже спектр. Следовательно, коэффициент Пельтье для p-легированного полупроводник


где — энергия электрона на вершине валентной группа.Поскольку дырки действуют как положительно заряженные частицы, Пельтье Коэффициент полупроводника p-типа положительный. На с другой стороны, коэффициент Пельтье полупроводника n-типа отрицательно из-за отрицательного заряда в знаменателе.

Обратите внимание, что обе формулы являются приблизительными. Тепловая энергия увлекаемый током — это не просто тепловое равновесие распределение энергии электронов.Средняя тепловая кинетическая энергия на текущий носитель, который будет использоваться, оказывается несколько отличным от . Течение также связано с потоком фононы; их энергия должна быть добавлена ​​к тепловой энергии, которая переносится непосредственно электронами или дырками, {A.11}. Подобные вопросы выходят далеко за рамки данной книги.

Однако интересно сравнить приведенные выше ориентировочные значения полупроводников. к одному для металлов:


Этот приблизительный результат исходит из предположения о спектре газа свободных электронов, {А.11}. Конечное соотношение легко понять как классическая тепловая кинетическая энергия на единицу заряда . Отношение перед ним — это тепловая энергия, деленная на энергия Ферми. Как обсуждалось в разделе 6.10 эта дробь намного меньше единицы. Его присутствие можно понять из принципа исключения: как показано на Рисунок 6.15, только небольшая часть электронов улавливает тепловая энергия в металле.

Приведенный выше пример подразумевает, что коэффициент Пельтье металла равен намного меньше, чем у легированного полупроводника.Однако следует Следует отметить, что хотя приблизительная оценка дает приблизительный порядок величины коэффициентов Пельтье металлов они, как правило, заметно больше. Хуже того, существует довольно много металлов, у которых коэффициент Пельтье положительно, в отличие от приведенного выше.

В некоторой степени нижние коэффициенты Пельтье металлов равны компенсируется их большей электропроводностью. А безразмерную добротность можно определить для термоэлектрических материалы как, {A.11}:


где — типичная рабочая абсолютная температура. Эта фигура достоинства показывает, что большой коэффициент Пельтье — это хорошо, квадратично так, но так же большая электропроводность и низкая теплопроводность. К сожалению, металлы также хорошо проводят тепло.

Ключевые точки

В эффекте Пельтье ток вызывает охлаждение или нагрев когда он проходит через область контакта между двумя твердыми телами.
Выделяемое тепло пропорционально току и разность коэффициентов Пельтье материалов.
Соединения между противоположно легированными полупроводниками работают хорошо.


6.28.2 Эффект Зеебека

Термоэлектрическое измерение температуры и выработка электроэнергии могут быть достигается за счет так называемого эффекта Зеебека . Это в некотором смысле противоположность эффекту Пельтье предыдущего подраздел.

Рассмотрим конфигурацию, показанную на рисунке 6.38. Блоки Легированные полупроводники n-типа и p-типа электрически соединены на их вершинах с помощью медной полоски. Медные полосы также прикреплены к днищам полупроводниковых блоков. В отличие от устройство Пельтье, внешний источник напряжения не подключается. в чистый эффект Зеебека, нижние полосы электрически не соприкасаются вообще.Значит тока через устройство нет. Это то, что есть называется конфигурацией с разомкнутой цепью.

Рисунок 6.38: Пример генератора напряжения Зеебека.

Для достижения эффекта Зеебека тепло от внешнего источника тепла добавлен к верхней медной полосе. Это нагревает его. Тепло допускается сбежать с нижних полосок, скажем, в охлаждающую воду. Этот тепловой поток Картина полностью противоположна той, что была у кулера Пельтье.Если тепло уходит из полосок вашего кулера Пельтье на холодной стороне, он растопит ваши кубики льда.

Но для охладителя Пельтье требуется внешнее напряжение, подаваемое на держать устройство в рабочем состоянии. С Зеебеком происходит обратное. генератор рисунка 6.38. Само устройство превращается в электроснабжение. Самопроизвольно возникает разность напряжений. между двумя нижними полосами.

Эта разница напряжений может использоваться для определения температуры верхняя медная полоса, предполагая, что нижние полосы находятся на известная температура.Устройство, измеряющее температуру таким образом, является называется «термопара».

В качестве альтернативы вы можете извлечь электрическую мощность из напряжения разница между двумя нижними выводами. В этом случае Зеебек устройство действует как «термоэлектрический генератор». Конечно, для извлечения мощности вам понадобится чтобы позволить току течь. Это снизит напряжение ниже чистая ценность Зеебека.

Не так-то просто описать, почему устройство работает физически.К понять основную идею, рассмотрим произвольную точку P в Полупроводник n-типа, как показано на рисунке 6.38. Представьте, что вы стоите в этой точке, уменьшившись до микроскопических размеров. габариты. Из-за случайного теплового движения электроны проводимости приходят в вы случайно как сверху, так и снизу. Однако те, кто прибывает из выше более горячие, поэтому они приближаются к вам с большей скоростью. Следовательно, если предположить, что все остальное то же самое, существует чистый электрон ток вниз в вашем местоположении.Конечно, так продолжаться не может, потому что он перемещает отрицательный заряд вниз, заряжая нижнюю часть устройство отрицательное, а верхнее положительное. Это создаст электрический поле, которое замедляет движение горячих электронов и ускоряет холодные электроны поднимаются вверх. Градиент напряжения, связанный с этим электрическое поле — это эффект Зеебека, {A.11}.

В эффекте Зеебека постепенное изменение температуры в материал вызывает соответствующее изменение заданного напряжения от:


Нижний индекс указывает на то, что внутренняя химическая потенциал материала должен быть включен в дополнение к электростатический потенциал.Другими словами, полный химический потенциал на единицу электрона заряжать. Константа — это коэффициент материала, зависящий от материал и температура.

Этот коэффициент иногда называют «коэффициентом Зеебека». Однако обычно его называют термоЭДС »или« термоЭДС. Эти названия намного лучше, потому что коэффициент Зеебека описывает напряжение холостого хода, при котором не вырабатывается мощность.Он имеет единицы компании V / K. Весело наблюдать за растерянными лицами ненавистных неспециалисты, когда физик с серьезным лицом описывает то, что не является и не может быть такой силой, как термоЭДС.

Получаемое сетевое напряжение представляет собой интегрированное полное изменение напряжения длины двух материалов. Если это температура верхней и нижней, сетка напряжение можно записать как:

(6.40)

Это напряжение, которое будет отображаться на вольтметре, подключенном между нижние полоски. Обратите внимание, что нет необходимости использовать химикат. потенциал в этом выражении: так как нижние полосы оба являются медью и имеют одинаковую температуру, их внутренняя химическая потенциалы идентичны.

Приведенное выше уравнение предполагает, что медные полоски хорошо проводят тепло. достаточно, чтобы их температура была постоянной (или, альтернативно, чтобы материалы A и B находятся в непосредственном контакте друг с другом наверху края и с вольтметром на их нижних краях).В противном случае вы нужно будет добавить интеграл по меди.

Обратите внимание на приведенное выше уравнение, что, учитывая температуру нижних планок напряжение зависит только от температуры верхней полосы. На рисунке 6.38 подробный способ изменения температуры с высотой не важен, просто конечными значениями являются и. Это отлично подходит для ваше приложение термопары, потому что напряжение, которое вы получаете только зависит от температуры на кончике термопары, которую вы хочу измерить.Это не зависит от подробностей распределение температуры в двух выводах, идущих к наконечнику и от него. (Пока свойства материала в выводах остаются постоянными, является. Температурная зависимость коэффициентов Зеебека не является определяющей. проблема.)

Рисунок 6.39: Скачок потенциала Гальвани на контактной поверхности не производят полезного напряжения.

Иногда это предлагают, даже те, кто наверняка знает лучше, например [22, с.14-9], что потенциал Зеебека обусловлен скачками в потенциале на контактных поверхностях. Чтобы объяснить идею, рассмотрим рисунок 6.39. На этом рисунке материалы A и B были подключен напрямую, чтобы упростить идеи. Оказывается, что средний электростатический потенциал внутри материала A непосредственно перед поверхность контакта с материалом B отличается от среднего электростатический потенциал внутри материала B сразу после контактная поверхность.Разница называется потенциалом Гальвани. Это возникает из-за двойного зарядового слоя, который существует на контактной поверхности между разными твердыми телами. Этот слой заряда развивается, чтобы гарантировать, что химические потенциалы одинаковы по обе стороны от контакта поверхность. Равенство химических потенциалов на контактных поверхностях — это требование теплового равновесия. Электростатические потенциалы могут быть разные.

Если вы попытаетесь измерить этот потенциал Гальвани напрямую, как с нижний вольтметр на рисунке 6.39, вы проиграли. Причина в том что есть также скачки потенциала Гальвани между материалами A и B и провода вашего вольтметра. Предположим для простоты, что отведения Оба вольтметра сделаны из меди. Потому что химический потенциалы попарно равны на контактных поверхностях, все четыре химические потенциалы одинаковые, в том числе два в вольтметре ведет. Таким образом, фактический вольтметр не может обнаружить никакой разницы. между двумя выводами и дает нулевое показание.

Теперь рассмотрим верхний вольтметр на рисунке 6.39. Этот вольтметр действительно измеряет напряжение. Также в этом случае контакт поверхности между выводами вольтметра и материалами A и B являются при температуре, отличной от температуры поверхности контакта между материалами A и B. поэтому иногда делается предположение, что изменения в Galvani потенциалы из-за разницы температур производят измеренные напряжение.Это очень четко объяснило бы, почему только измеренное напряжение зависит от температуры контактных поверхностей. Не на подробные распределения температуры по длине материалов.

Это может быть красиво, но, к сожалению, это все неправильно. Дело в том, что зависимость от распределения температуры выпадает из конечного Результат — просто математическое совпадение. Пока изменения в собственный химический потенциал можно игнорировать, потенциал Гальвани сумма скачков все равно равна нулю.Не к измеренному потенциалу. В конце концов, в этом случае изменение напряжения по длине материалов составляет так же, как меняется химический потенциал. И потому что они уже суммировать с измеренным напряжением, на Гальвани ничего не остается прыгает. Рассмотрим, например, модель металлов с газом свободных электронов. Хотя его внутренний химический потенциал действительно меняется с температурой, {D.62}, это изменение составляет лишь треть от потенциальное изменение, вызванное коэффициентом Зеебека, приведенным в приложении {А.11}. Потенциальные изменения Гальвани тогда в сумме составляют только треть измеренного потенциала. Нет, частичного кредита нет.

Рисунок 6.40: Эффект Зеебека не поддается непосредственному измерению.

Следует также отметить, что эффект Зеебека материала не поддается непосредственному измерению. Рисунок 6.40 иллюстрирует попытаться напрямую измерить эффект Зеебека материала А.К сожалению, единственное, что меняется по сравнению с цифрой 6.39 заключается в том, что два вывода вольтметра принимают на себя место материала B.Если два вывода не прикреплены к точкам равные температуры, они являются активной частью общего эффекта Зеебека измеряется. (Сверхпроводники должны иметь коэффициент Зеебека нуль. Однако обнаружение сверхпроводников, которые все еще остаются сверхпроводниками если они находятся в тепловом контакте с реальными температурами, очевидная проблема.)

Кельвин обнаружил, что можно найти коэффициент Зеебека из коэффициента Пельтье просто на деление на абсолютную температуру. К сожалению, Пельтье коэффициент также не поддается непосредственному измерению. Его эффект тоже требует наличия второго материала для сравнения. Оно делает показывают, однако, что хорошие материалы для эффекта Пельтье также хорошие материалы для эффекта Зеебека.

Вы можете задаться вопросом, где заряды, которые переходят между горячим и холодные стороны в эффекте Зеебека заканчиваются. В тепловом равновесии внутренние части твердых тел должны оставаться свободными от чистого электрического заряда, или ток будет развиваться, чтобы устранить разницу в заряде. Но в Эффект Зеебека, твердые тела не находятся в тепловом равновесии. это поэтому несколько удивительно, что внутренности действительно остаются свободными от сетки заряжать.По крайней мере, это так, если колебания температуры небольшие. достаточно, {A.11}. Итак, заряды, которые передаются между горячими и холодный, и, таким образом, вызвать разность потенциалов Зеебека, в конечном итоге на поверхности твердых тел. Не в интерьере. Даже в Эффект Зеебека.


Ключевые точки

Эффект Зеебека создает полезное напряжение в зависимости от температуры различия.
Для электрического контакта требуются два разных материала. установите разницу температур.
Напряжение — это разница интегралов Зеебека. коэффициенты двух материалов по температуре.
Коэффициент Зеебека обычно называют термоЭДС, потому что он это не сила.


6.28.3 эффект Томсона

Эффект Томсона »или« Кельвина тепла, описывает тепловыделение в материале при прохождении через него тока. Это тепловыделение можно измерить напрямую. Это не похоже на Пельтье и эффекты Зеебека, для которых только чистый эффект двух различных материалы можно измерить. Поскольку коэффициенты Пельтье и Зеебека может быть вычислен из эффекта Томсона, в принципе эффект Томсона позволяет найти все три термоэлектрических коэффициента без с участием второго материала.

Томсон, впоследствии ставший лордом Кельвином, показал, что чистая энергия накопление на единицу объема в стержне материала при текущем через него можно записать как:

(6,41)

Вот положение на полосе, это температура, это ток на единицу площади, и — тепловые и электропроводность. Первый член в правой части представляет собой накопление тепла из-за закона теплопроводности Фурье.В второй член — это джоулев нагрев, который удерживает ваш резистивный нагреватель рабочий. Последний член — термоэлектрический эффект Томсона или Кельвиновское тепло. (Термин эффект Кельвина не используется потому что он уже широко используется для чего-то другого.) Коэффициент называется «коэффициентом Кельвина» или «коэффициентом Томсона». Вывод из общих уравнений термоэлектриков приведено в приложении {A.11}.

Можно отметить, что для устройств, в которых есть эффект Томсона. важно, введенная ранее добротность становится меньше значимый.В таких случаях второе безразмерное число на основе коэффициент Кельвина также повлияет на производительность устройства.

Два других термоэлектрических коэффициента могут быть вычислены из Кельвин с использованием отношений Кельвина или Томсона {A.11}:

(6,42)

Интегрируя относительно, вы можете найти коэффициент Зеебека и от него коэффициент Пельтье.

Это, конечно, требует, чтобы вы нашли коэффициент Кельвина над полный температурный диапазон. Но вам нужно сделать это только для одного материал. Как только вы точно знаете термоэлектрический коэффициенты для одного материала, вы можете использовать это как ссылку материал, чтобы найти коэффициенты Пельтье и Зеебека для каждого другого материал. Свинец обычно используется в качестве справочного материала, так как он относительно низкие термоэлектрические коэффициенты.

Конечно, если окажется, что данные на вашем справочном материале не так точны, как вы думали, было бы очень плохо Новости. Это повлияет на точность термоэлектрических коэффициентов. любого другого материала, который вы нашли с помощью этого справочного материала. Прогнозирование вероятности того, что такое может случиться, для свинца можно вывести из так называемого закона Мерфи.


Ключевые точки

Эффект Томсона или тепло Кельвина описывает внутреннюю нагревание материала при протекании через него тока.Более точно, он описывает часть этого нагрева, который происходит из-за взаимодействие тока с изменениями температуры.
В отличие от коэффициентов Пельтье и Зеебека, коэффициент Кельвина Коэффициент (Томсона) можно измерить без участия второго материал.
Отношения Кельвина (Томсона) позволяют вычислить и коэффициенты Зеебека из коэффициента Кельвина.

(PDF) Эффект Пельтье в полупроводниках

3GW8206 26.03.2014 0: 6: 49 Page 20

51. Пайп К. П., Р. Дж. Рам и А. Шакури. Зависимость от смещения

Коэффициент Пельтье и внутреннее охлаждение в биполярных устройствах.

Phys. Rev. B 2002,66, p 125316.

52. Стафеев В.И. Термоэлектрические и другие явления в структурах с неравновесными носителями заряда и наночастицами

.Полупроводники, 2009 г., 43, стр. 1280–1287.

53. D. Fu, A. X. Levander, R. Zhang, J. W. Ager, III, and J. Wu.

Электротермические вихри тока в однородных биполярных полупроводниках In-

. Phys. Rev. B 2011,

84, p 045205.

54. W. M. Bullis. Термоэлектрическое охлаждение несущей меньшинства.

J. Appl. Phys. 1963, 34, стр. 1648–1649.

55. Ю. Г. Гуревич, Х. Э. Веласкес-Перес, Г. Эспехо-Лопес, И. Н.

Воловичев, О.Ю. Титов. Транспорт неравновесных носителей

в биполярных полупроводниках. J. Appl. Phys. 2007,

101, p 023705.

56. Гуревич Ю.Г., Воловичев И.Н. Забытый механизм

Нелинейность в теории горячих электронов. Phys. Ред. B

1999,60, стр. 7715–7717.

57. И. Лашкевич, О. Титов, Ю. Г. Гуревич. Рекомбинация

и распределение температуры в полупроводниках. Полу-

пров. Sci. Technol. 2012 г., 27, стр. 055014.

58. Гуревич Ю.Г., Лашкевич И. Источники потоков

энергии, тепла и диффузионного тепла в биполярном полупроводнике

: влияние неравновесных носителей заряда.

Внутр. J. Thermophys. 2013 г., 34, стр. 341–349.

59. W. Shockley. Теория p-n-переходов в полупроводниках

и транзисторы p-n-перехода. Bell Syst. Tech. J. 1949, 28, стр.

435–489.

60. Р. А. Смит. Полупроводники. Издательство Кембриджского университета:

Кембридж, U.K., 1961.

61. D. A. Neamen. Физика полупроводников и приборы: основные принципы

. Irwin: Homewood, IL, 1992.

62. В. Л. Бонч-Бруевич и С. Г. Калашников. Physik fur

Halbleiter. VEB Deutscher Verlagder Wissenschaften:

Берлин, Германия, 1982 г.

63. S. Sze. Физика полупроводниковых приборов. Wiley: New York,

1981.

64. P. T. Landsberg. Рекомбинация в полупроводниках.

Cambridge University Press: Cambridge, U.К., 1991.

65. И. Н. Воловичев, Г. Эспехо, Ю. Г. Гуревич, О. Ю. Титова,

А. Мериуц. Рекомбинация в полупроводниках: появление

неравновесных носителей из-за инжекции или перераспределения

в образце. Jpn. J. Appl. Phys. 2002,41, Часть 1,

pp 182–184.

66. Г. Эспехо-Лопес, О.И. Любимов, О.Ю. Титов, Ю.Г.

Гуревич. Corriente Electrica de Portadores Calientes en

Semiconductores Intrinsecos: Desequilibrio en la Concentra-

cion.Revista Mex. Fisica 2004,50, стр. 620–624.

67. W. Shockley и W. T. Read. Статистика рекомбинаций

дырок и электронов. Phys. Rev.1952, 87, стр. 835–842.

68. J. N. Chazalviel. Кулоновский скрининг с помощью мобильных зарядов.

Birkhauser: Boston, MA, 1999.

69. S. R. in t’Hout. Квазинейтральность в полупроводниках. J. Appl.

Phys. 1996, 79, стр. 8435–8444.

70. M. Krcmar and W. Saslow. Точные поверхностные решения для полупроводников

: эффект Дембера и парциальные токи.

Phys. Rev. B 2002,65, p. 233313.

71. C. Miranda. Уравнения с частными производными эллиптического типа.

Springer: Берлин, Германия, 1970.

72. Гуревич Ю.Г., Логвинов Г.Н., Воловичев И.Н., Г. Эспехо,

О.Ю. Титов, А. Мериуц. Роль неравновесных носителей

в формировании термо-ЭДС. в биполярных полупроводниках

. Phys. Статус Solidi B 2002, 231, стр. 278–293.

73. W. van Roosbroeck. Космический перенос носителей тока

Заряд в полупроводниках.Phys. Rev.1961, 123, стр. 474–490.

74. Y. Moureau, J.-C. Manifacier и H. K. Henisch. Minority-

Инжекция носителей в релаксационные полупроводники. J. Appl.

Phys. 1986, 60, стр. 2904–2909.

75. О. Ю. Титов, Дж. Хиральдо, Ю. Г. Гуревич. Граничное ограничение

в контакте электрического тока. Прил. Phys. Lett.

2002,80, стр 3108–3110.

76. И. Н. Воловичев, Х. Э. Веласкес-Перес, Ю. Г. Гуревич.

Граничное условие транспортировки для полупроводниковых структур —

туров.Твердотельная электроника, 2008,52, с. 1703–1709.

77. И. Лашкевич, Ю. Г. Гуревич. Граничные условия для термоэлектрического охлаждения

в p-n переходе. Int. J. Thermophys.

2011, 32, стр. 1086–1097.

78. Гуревич Ю.Г., Юрченко В.Б. Проблема формирования

ЭДС в полупроводнике и передачи ее во внешнюю цепь

. Сов. Phys. Полуконд. 1991, 25, стр. 1268–1273.

79. К. Дж. Винейс, А. Шакури, А. Маджумдар и М.Канаци Г.

дис. Наноструктурированные термоэлектрики: большой выигрыш в эффективности

за счет мелких деталей. Adv. Матер. 2010, 22, стр. 3970–3980.

80. Э. Альтенкирх. €

Uber den Nutzeffekt der Thermos €

aulen.

Physik. Z. 1909, 10, с. 560–580.

81. Э. Альтенкирх. Elektrothermische K €

alteerzeugung und

Реверсивный Elektrische Heizung. Physik. Z. 1911,12,

pp 920–924.

82. Т. К. Харман и Дж.М. Хониг. Термоэлектрические и термоэлектрические

магнитные эффекты и приложения. McGraw Hill: New York,

1967.

83. Л. Д. Хикс, Т. К. Харман и М. С. Дрессельхаус. Использование сверхрешеток с квантовыми ямами

для получения высокого показателя качества

от нетрадиционных термоэлектрических материалов.

Заявл. Phys. Lett. 1993, 63, стр. 3230–3232.

84. Р. Венкатасубраманян, Э. Сиивола, Т. Колпиттс и Б.

О’Куинн. Тонкопленочные термоэлектрические устройства с высокими показателями качества

при комнатной температуре.Nature 2001, 413,

, стр. 597–602.

85. Т. К. Харман, П. Дж. Тейлор, М. П. Уолш и Б. Э. Лафорж.

Термоэлектрические материалы на сверхрешетке с квантовыми точками и

Устройства. Science 2002, 297, стр. 2229–2232.

86. К. Ф. Сю, С. Лоо, Ф. Го, В. Чен, Дж. С. Дайк, К. Ухер, Т.

Хоган, Э. К. Полихрониадис и М. Г. Канацидис. Cubic

AgPb (m) SbTe (2þm): объемные термоэлектрические материалы с высоким показателем качества

. Science 2004, 303, стр. 818–821.

87. Х. Дж. Голдсмид, А. Р. Шеард и Д. А. Райт. Форма Per-

термопереходов теллурида висмута. Br. J. Appl.

Phys. 1958,9, стр. 365–370.

88. Т. К. Харман, Д. Л. Спирс и М. Дж. Манфра. Высокая

Термоэлектрические показатели качества в квантовых ямах PbTe.

J. Electron. Матер. 1996, 25, стр. 1121–1127.

89. Д.-Ю. Chung, T. Hogan, P. Brazis, M. Rocci-Lane, C.

Kannewurf, M. Bastea, C. Uher и M. G.Канацидис.

CsBi (4) Te (6): высокоэффективный термоэлектрический материал

для низкотемпературных применений. Science 2000, 287,

, стр. 1024–1027.

90. А.И. Букай, Я. Бунимович, Дж. Тахир-Хели, Ю.К.Ю, В.А.

Годдард и Дж. Р. Хит. Кремниевые нанопроволоки как

Эффективные термоэлектрические материалы. Nature 2008, 451, стр.

168–171.

91. А. И. Хохбаум, Р. К. Чен, Р. Д. Дельгадо, В. Дж. Лян, Е. К.

Гарнетт, М. Наджарян, А.Маджумдар и П. Д. Ян.

20 Эффект Пельтье в полупроводниках

Термоэлектрический эффект — New World Encyclopedia

Термоэлектрический эффект — это явление, с помощью которого разница температур напрямую преобразуется в электрическое напряжение и наоборот. В повседневной жизни термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда с каждой стороны разная температура. И наоборот, когда на него подается напряжение, создается разница температур.В масштабе атомов (в частности, носителей заряда) приложенная разность температур заставляет носители заряда в материале, будь то электроны или дырки, диффундировать с горячей стороны на холодную, подобно классическому газу, который расширяется при нагревании. ; следовательно, термически индуцированный ток.

Этот эффект можно использовать для выработки электричества, измерения температуры, охлаждения предметов, их нагрева или приготовления. Поскольку направление нагрева и охлаждения определяется знаком приложенного напряжения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.

Традиционно термин термоэлектрический эффект или термоэлектричество охватывает три отдельно идентифицированных явления, известных как эффект Зеебека , эффект Пельтье и эффект Томсона . Во многих учебниках термоэлектрический эффект может также называться эффектом Пельтье – Зеебека . Это разделение происходит из независимых открытий французского физика Жана Шарля Атанаса Пельтье и эстонско-немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека.Джоулев нагрев, тепло, которое генерируется всякий раз, когда к резистивному материалу прикладывается разность напряжений, в некоторой степени связано, хотя обычно его не называют термоэлектрическим эффектом (и обычно его считают механизмом потерь из-за неидеальности термоэлектрических свойств). устройств). Эффекты Пельтье – Зеебека и Томсона обратимы, а джоулев нагрев — нет.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека включает преобразование разницы температур непосредственно в электричество.

Зеебек обнаружил, что стрелка компаса будет отклоняться, если замкнутая петля будет образована из двух металлов, соединенных в двух местах с разницей температур между соединениями. Это связано с тем, что металлы по-разному реагируют на разницу температур, что создает токовую петлю, которая создает магнитное поле. Зеебек, однако, в то время не осознавал наличие электрического тока, поэтому он назвал это явление термомагнитным эффектом, полагая, что два металла стали магнитно поляризованными из-за температурного градиента.Датский физик Ганс Кристиан Эрстед сыграл жизненно важную роль в объяснении и понимании термина «термоэлектричество».

Эффект состоит в том, что напряжение, термоэлектрическая ЭДС, создается при наличии разницы температур между двумя разными металлами или полупроводниками. Это вызывает постоянный ток в проводниках, если они образуют замкнутую петлю. Создаваемое напряжение составляет порядка нескольких микровольт на разницу в кельвинах. Одна такая комбинация, медь-константан, имеет коэффициент Зеебека 41 микровольт на кельвин при комнатной температуре.{T_ {2}} \ left (S _ {\ mathrm {B}} (T) -S _ {\ mathrm {A}} (T) \ right) \, dT}

S A и S B — коэффициенты Зеебека (также называемые термоэдс или термоЭДС ) металлов A и B как функция температуры, а T 1 и T 2 — температуры двух стыков. Коэффициенты Зеебека нелинейны как функция температуры и зависят от абсолютной температуры проводников, материала и молекулярной структуры.Если коэффициенты Зеебека фактически постоянны для измеренного диапазона температур, приведенная выше формула может быть аппроксимирована следующим образом:

V = (SB − SA) ⋅ (T2 − T1) {\ displaystyle V = (S _ {\ mathrm {B}) } -S _ {\ mathrm {A}}) \ cdot (T_ {2} -T_ {1})}

Эффект Зеебека обычно используется в устройстве, называемом термопарой (поскольку он состоит из муфты или соединения материалов, обычно металлов), чтобы напрямую измерить разницу температур или измерить абсолютную температуру, установив на одном конце известную температуру.Несколько термопар, соединенных последовательно, называются термобатареями, которые иногда конструируют для увеличения выходного напряжения, поскольку напряжение, наведенное на каждую отдельную пару, мало.

Этот принцип также применяется в тепловых диодах и термоэлектрических генераторах (например, радиоизотопных термоэлектрических генераторах или РИТЭГах), которые используются для создания энергии за счет перепадов тепла.

Эффект Зеебека возникает из-за двух эффектов: диффузия носителей заряда и увлечение фононов (описано ниже).Если оба соединения поддерживаются при одинаковой температуре, но одно соединение периодически открывается и закрывается, измеряется напряжение переменного тока, которое также зависит от температуры. Это применение зонда Кельвина иногда используется, чтобы доказать, что физике, лежащей в основе, нужен только один переход. И этот эффект все еще виден, если провода только подходят, но не соприкасаются, поэтому диффузия не требуется.

ТермоЭДС

ТермоЭДС , термоэлектрическая мощность или коэффициент Зеебека материала измеряет величину индуцированного термоэлектрического напряжения в ответ на разницу температур на этом материале.Единицы измерения термоЭДС — (В / К) {\ displaystyle (В / К)}, хотя на практике чаще используется микровольт на кельвин. Значения в сотни мкВ / К, отрицательные или положительные, типичны для хороших термоэлектрических материалов. Термин термоЭДС используется неправильно, поскольку он измеряет напряжение или электрическое поле, индуцированное в ответ на разницу температур, а не электрическую мощность. Приложенная разность температур заставляет носители заряда в материале, будь то электроны или дырки, диффундировать с горячей стороны на холодную, подобно классическому газу, который расширяется при нагревании.Подвижные носители заряда, мигрирующие в холодную сторону, оставляют свои противоположно заряженные и неподвижные ядра на горячей стороне, что приводит к возникновению термоэлектрического напряжения (термоэлектрическое напряжение — это тот факт, что напряжение создается разностью температур). Поскольку разделение зарядов также создает электрический потенциал, накопление заряженных носителей на холодной стороне в конечном итоге прекращается при некотором максимальном значении, поскольку существует равное количество заряженных носителей, дрейфующих обратно на горячую сторону в результате электрического поля в состоянии равновесия. .Только увеличение разницы температур может возобновить накопление большего количества носителей заряда на холодной стороне и, таким образом, привести к увеличению термоэлектрического напряжения.

Между прочим, термоЭДС измеряет также энтропию, приходящуюся на носитель заряда в материале. Чтобы быть более конкретным, считается, что парциальная молярная электронная теплоемкость равна абсолютной термоэлектрической мощности, умноженной на отрицательную величину постоянной Фарадея. [1]

Термоэдс материала, представленная S {\ displaystyle S} (или иногда α {\ displaystyle \ alpha}), зависит от температуры материала и кристаллической структуры.Как правило, металлы имеют низкую термоэдс, потому что большинство из них имеют полосы, заполненные наполовину. Электроны (отрицательные заряды) и дырки (положительные заряды) вносят вклад в индуцированное термоэлектрическое напряжение, тем самым компенсируя вклад друг друга в это напряжение и делая его небольшим. Напротив, полупроводники могут быть легированы избыточным количеством электронов или дырок и, таким образом, могут иметь большие положительные или отрицательные значения термоэдс в зависимости от заряда избыточных носителей. Знак термоЭДС может определять, какие носители заряда доминируют в переносе электричества как в металлах, так и в полупроводниках.

Если разница температур ΔT {\ displaystyle \ Delta T} между двумя концами материала мала, то термоЭДС материала определяется (приблизительно) следующим уравнением [2] :

S = ΔVΔT {\ displaystyle S = {\ Delta V \ over \ Delta T}}

, а на выводах видно термоэлектрическое напряжение Δ V . (Хотя во многих учебниках используется приблизительное определение, в некоторых дается точное выражение. [3] [4] )

Это также можно записать относительно электрического поля E {\ displaystyle E} и градиента температуры ∇T {\ displaystyle \ nabla T} по приближенному уравнению [2] :

S = E∇T {\ displaystyle S = {E \ over \ nabla T}}

На практике редко измеряют абсолютная термоЭДС интересующего материала.Это связано с тем, что электроды, прикрепленные к вольтметру, должны быть помещены на материал для измерения термоэлектрического напряжения. Температурный градиент также обычно вызывает термоэлектрическое напряжение на одном плече измерительных электродов. Следовательно, измеренная термоЭДС включает вклад термоЭДС исследуемого материала и материала измерительных электродов.

Тогда измеренная термоЭДС является вкладом обоих и может быть записана как:

SAB = SB − SA = ΔVBΔT − ΔVAΔT {\ displaystyle S_ {AB} = S_ {B} -S_ {A} = {\ Delta V_ {B} \ over \ Delta T} — {\ Delta V_ {A} \ over \ Delta T}}

Сверхпроводники имеют нулевую термоэдс, поскольку носители заряда не производят энтропию.Это позволяет напрямую измерить абсолютную термоэдс интересующего материала, поскольку это также термоэдс всей термопары. Кроме того, измерение коэффициента Томсона, г. до н. Э. ; {\ displaystyle \ mu}, из материала также может давать термоэдс через соотношение: S = ∫ до н. Э. ; TdT {\ displaystyle S = \ int {\ mu \ over T} dT}

Термоэдс — важный параметр материала, который определяет эффективность термоэлектрического материала.Более высокое индуцированное термоэлектрическое напряжение для данного температурного градиента приведет к большей эффективности. В идеале хотелось бы иметь очень большие значения термоэдс, поскольку тогда для создания большого напряжения необходимо лишь небольшое количество тепла. Это напряжение затем можно использовать для обеспечения питания.

Диффузия носителей заряда

Носители заряда в материалах (электроны в металлах, электроны и дырки в полупроводниках, ионы в ионных проводниках) будут диффундировать, когда один конец проводника имеет температуру, отличную от температуры другого.Горячие носители диффундируют от горячего конца к холодному, так как на холодном конце проводника плотность горячих носителей ниже. Носители холода распространяются от холодного конца к горячему по той же причине.

Если бы проводник оставался для достижения термодинамического равновесия, этот процесс привел бы к равномерному распределению тепла по проводнику (см. Теплопередачу). Движение тепла (в виде горячих носителей заряда) от одного конца к другому называется тепловым током.Когда носители заряда движутся, это также электрический ток.

В системе, где на обоих концах поддерживается постоянная разница температур (постоянный тепловой ток от одного конца к другому), происходит постоянная диффузия носителей. Если бы скорость диффузии горячих и холодных носителей в противоположных направлениях была бы одинаковой, чистого изменения заряда не было бы. Однако диффундирующие заряды рассеиваются на примесях, дефектах и ​​колебаниях решетки (фононах). Если рассеяние зависит от энергии, горячие и холодные носители будут диффундировать с разной скоростью.Это создает более высокую плотность носителей на одном конце материала, а расстояние между положительным и отрицательным зарядами создает разность потенциалов; электростатическое напряжение.

Это электрическое поле, однако, препятствует неравномерному рассеянию носителей, и достигается равновесие, когда чистое количество носителей, диффундирующих в одном направлении, компенсируется чистым числом носителей, движущихся в противоположном направлении от электростатического поля. Это означает, что термоЭДС материала в значительной степени зависит от примесей, дефектов и структурных изменений (которые часто меняются в зависимости от температуры и электрического поля), а термоЭДС материала представляет собой совокупность множества различных эффектов.

Ранние термопары были металлическими, но многие недавно разработанные термоэлектрические устройства были сделаны из чередующихся полупроводниковых элементов p-типа и n-типа, соединенных металлическими межсоединениями, как показано на рисунках ниже. Полупроводниковые переходы особенно распространены в устройствах для выработки электроэнергии, в то время как металлические переходы более распространены при измерении температуры. Заряд протекает через элемент n-типа, пересекает металлическое межсоединение и переходит в элемент p-типа. Если предусмотрен источник питания, термоэлектрическое устройство может действовать как охладитель, как показано на рисунке слева ниже.Это эффект Пельтье, описанный в следующем разделе. Электроны в элементе n-типа будут двигаться против направления тока, а отверстия в элементе p-типа будут двигаться в направлении тока, отводя тепло с одной стороны устройства. Если предусмотрен источник тепла, термоэлектрическое устройство может работать как генератор энергии, как показано на рисунке справа ниже. Источник тепла будет направлять электроны в элементе n-типа в более холодную область, тем самым создавая ток в цепи.Отверстия в элементе p-типа будут течь в направлении тока. Затем ток можно использовать для питания нагрузки, тем самым преобразуя тепловую энергию в электрическую.

Phonon drag

Фононы не всегда находятся в локальном тепловом равновесии; они движутся против теплового градиента. Они теряют импульс из-за взаимодействия с электронами (или другими носителями) и дефектами в кристалле. Если фонон-электронное взаимодействие преобладает, фононы будут стремиться подтолкнуть электроны к одному концу материала, теряя при этом импульс.Это способствует уже существующему термоэлектрическому полю. Этот вклад наиболее важен в области температур, где преобладает рассеяние фононов на электронах. Это происходит для

T≈15θD {\ displaystyle T \ приблизительно {1 \ over 5} \ theta _ {\ mathrm {D}}}

, где θ D — температура Дебая. При более низких температурах для увлечения доступно меньше фононов, а при более высоких температурах они имеют тенденцию терять импульс в фонон-фононном рассеянии вместо фонон-электронного рассеяния.

Эта область зависимости термоЭДС от температуры сильно изменяется под действием магнитного поля.

Спиновый эффект Зеебека и магнитные батареи

Физики недавно обнаружили, что нагрев одной стороны намагниченного никель-железного стержня заставляет электроны перестраиваться в соответствии со своими спинами. Этот так называемый «эффект вращения Зеебека» может привести к тому, что батареи будут генерировать магнитные токи, а не электрические. Источник магнитных токов может быть особенно полезен для разработки устройств спинтроники, в которых магнитные токи используются для уменьшения перегрева компьютерных микросхем, поскольку, в отличие от электрических токов, магнитные токи не выделяют тепла. [5]

Эффект Пельтье

Этот эффект носит имя Жан-Шарля Пельтье (французский физик), который в 1834 году открыл теплотворный эффект электрического тока на стыке двух разных металлов. Когда через цепь протекает ток I, тепло выделяется в верхнем переходе (при T 2 ) и поглощается в нижнем переходе (при T 1 ). Тепло Пельтье, поглощаемое нижним спаем за единицу времени, Q˙ {\ displaystyle {\ dot {Q}}} равно

Q˙ = ΠABI = (ΠB − ΠA) I {\ displaystyle {\ dot {Q }} = \ Pi _ {\ mathrm {AB}} I = \ left (\ Pi _ {\ mathrm {B}} — \ Pi _ {\ mathrm {A}} \ right) I}

Где Π коэффициент Пельтье AB всей термопары, а Π A и Π B — это коэффициенты для каждого материала.Кремний P-типа обычно имеет положительный коэффициент Пельтье (но не выше ~ 550 K), а кремний n-типа обычно отрицательный, как следует из названий.

Коэффициенты Пельтье представляют, сколько теплового тока переносится на единицу заряда через данный материал. Поскольку зарядный ток должен быть непрерывным через переход, соответствующий тепловой поток будет иметь неоднородность, если Π A и Π B различны. Это вызывает ненулевое расхождение на стыке, и поэтому тепло должно накапливаться или истощаться там, в зависимости от знака тока.Другой способ понять, как этот эффект может охладить переход, — это заметить, что когда электроны текут из области высокой плотности в область низкой плотности, они расширяются (как в случае идеального газа) и охлаждаются.

Проводники пытаются вернуться к электронному равновесию, которое существовало до подачи тока, путем поглощения энергии на одном соединителе и высвобождения ее на другом. Отдельные пары можно соединить последовательно для усиления эффекта.

Интересным следствием этого эффекта является то, что направление теплопередачи контролируется полярностью тока; изменение полярности изменит направление передачи и, следовательно, знак поглощенного / выделяемого тепла.

A Охладитель Пельтье / нагреватель или термоэлектрический тепловой насос — это твердотельный активный тепловой насос, который передает тепло от одной стороны устройства к другой. Охлаждение Пельтье также называется термоэлектрическим охлаждением (ТЕС).

Эффект Томсона

Эффект Томсона был предсказан и впоследствии экспериментально обнаружен Уильямом Томсоном (лорд Кельвин) в 1851 году. Он описывает нагрев или охлаждение проводника с током с градиентом температуры.{2} — \ mu J {\ frac {dT} {dx}} \, \!}

где

ρ — удельное сопротивление материала

dT / dx — температурный градиент вдоль провода

μ — коэффициент Томсона.

Первый член ρ J² — это просто джоулева нагревание, которое необратимо.

Второй член — это тепло Томсона, которое меняет знак, когда J меняет направление.

В металлах, таких как цинк и медь, у которых более горячий конец имеет более высокий потенциал и более холодный конец при более низком потенциале, когда ток перемещается от более горячего конца к более холодному концу, он перемещается от высокого к низкому потенциалу. , так что происходит выделение тепла.Это называется положительным эффектом Томсона .

В металлах, таких как кобальт, никель и железо, у которых более холодный конец имеет более высокий потенциал и более горячий конец при более низком потенциале, когда ток перемещается от более горячего конца к более холодному концу, он перемещается от низкого к более холодному концу. высокий потенциал, происходит поглощение тепла. Это называется отрицательным эффектом Томсона .

Коэффициент Томсона является уникальным среди трех основных термоэлектрических коэффициентов, потому что это единственный термоэлектрический коэффициент, напрямую измеряемый для отдельных материалов.Коэффициенты Пельтье и Зеебека можно определить только для пар материалов. Таким образом, не существует прямого экспериментального метода для определения абсолютного коэффициента Зеебека (т. Е. ТермоЭДС) или абсолютного коэффициента Пельтье для отдельного материала. Однако, как упоминалось в другом месте этой статьи, есть два уравнения, соотношения Томсона, также известные как соотношения Кельвина (см. Ниже), связывающие три термоэлектрических коэффициента. Поэтому только один можно считать уникальным.

Если коэффициент Томсона материала измеряется в широком диапазоне температур, включая температуры, близкие к нулю, можно затем интегрировать коэффициент Томсона по диапазону температур, используя соотношения Кельвина для определения абсолютного значения (т.е.е. для одного материала) значения коэффициентов Пельтье и Зеебека. В принципе, это необходимо сделать только для одного материала, поскольку все остальные значения могут быть определены путем попарного измерения коэффициентов Зеебека в термопарах, содержащих эталонный материал, и последующего добавления абсолютной термоэлектрической мощности (термоЭДС) эталонного материала.

Принято считать, что свинец имеет нулевой эффект Томсона. Хотя термоэлектрические коэффициенты свинца малы, в целом они не равны нулю.Коэффициент Томсона свинца был измерен в широком диапазоне температур и был интегрирован для расчета абсолютной термоэлектрической мощности (термоЭДС) свинца как функции температуры. [6]

В отличие от свинца термоэлектрические коэффициенты всех известных сверхпроводников равны нулю.

Взаимосвязи Томсона

Эффект Зеебека на самом деле является комбинацией эффектов Пельтье и Томсона. Фактически, в 1854 году Томсон обнаружил две взаимосвязи, которые теперь называются отношениями Томсона или Кельвина, между соответствующими коэффициентами.Абсолютная температура T , коэффициент Пельтье Π {\ displaystyle \ Pi} и коэффициент Зеебека S связаны первым соотношением Томсона

Π = S⋅T {\ displaystyle \ Pi = S \ cdot T}

, который предсказал эффект Томсона до того, как он был фактически формализован. {2} \ over \ lambda}},

где σ — электропроводность, λ — теплопроводность, а S — коэффициент Зеебека или термоэдс (обычно в мкВ / К).Это чаще всего выражается как безразмерный показатель качества ZT путем умножения его на среднюю температуру ((T2 + T1) / 2 {\ displaystyle (T_ {2} + T_ {1}) / 2}). Более высокие значения ZT указывают на большую термодинамическую эффективность при соблюдении определенных положений, в частности требования, чтобы два материала пары имели одинаковые значения Z . ZT , таким образом, является очень удобным показателем для сравнения потенциальной эффективности устройств, использующих различные материалы.Значения ZT = 1 считаются хорошими, а значения как минимум в диапазоне 3–4 считаются необходимыми для термоэлектриков, чтобы конкурировать с механической генерацией и охлаждением по эффективности. На сегодняшний день наилучшие зарегистрированные значения ZT находятся в диапазоне 2–3. [7] Многие исследования термоэлектрических материалов были сосредоточены на увеличении коэффициента Зеебека и снижении теплопроводности, особенно за счет изменения наноструктуры материалов.

См. Также

Примечания

  1. ↑ Алан Л.Роквуд, 1984. Связь термоэлектричества с электронной энтропией. Phys. Ред. A 30: 2843–2844.
  2. 2,0 2,1 Строго говоря, приведенные здесь два выражения для коэффициента Зеебека являются приблизительными: числитель первого уравнения должен быть разностью (электрохимический потенциал, деленный на -e), а не электрического потенциала, и аналогично второе уравнение должно иметь градиент электрохимического потенциала, деленный на е, а не на электрическое поле.Однако химический потенциал часто относительно постоянен как функция температуры, поэтому использование одного электрического потенциала в этих случаях является очень хорошим приближением. См. Taylor, P.L. 1973 г. Комментарий к «Коэффициент Зеебека при температуре Кюри: удельная теплоемкость носителей заряда в ферромагнетиках». Phys. Rev. B 7: 1197 — 1198. (Проверено 4 февраля 2009 г.)
  3. ↑ Sadamichi Maekawa, et al. 2004. Физика оксидов переходных металлов , 323. (Берлин: Springer. ISBN 3540212930).
  4. ↑ G.S. Nolas et al. 2001. Термоэлектрики: основные принципы и разработки новых материалов , 38. (Берлин: Springer. ISBN 354041245X).
  5. ↑ Новый эффект спинтроники может привести к появлению магнитных батарей. Physorg.com . Проверено 4 февраля 2009 г.
  6. ↑ R.B. Roberts, 1977 г. Абсолютная шкала термоэлектричества. Природа 265: 226–227. DOI: 10.1038 / 265226a0
  7. ↑ Кэти Уолтер, май 2007 г. Квантовый вклад в технологию . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса . Проверено 4 февраля 2009 г.

Ссылки

  • Безансон, Роберт М. 1985. Физическая энциклопедия , 3-е изд. Нью-Йорк: Компания Ван Ностранд Рейнхольд. ISBN 0442257783
  • Иоффе А.Ф. 1957. Полупроводниковые термоэлементы и термоэлектрическое охлаждение. Лондон: Infosearch Limited. ISBN 0850860393
  • Nolas, G.S., et al. 2001. Термоэлектрики: основные принципы и разработки новых материалов .Берлин: Springer. ISBN 354041245X
  • Робертс, Р. Б. 1977. Абсолютная шкала термоэлектричества. Природа 265: 226–227. DOI: 10.1038 / 265226a0
  • Rowe, D.M. 2006. Справочник по термоэлектрике: от макро до нано. Бока-Ратон: CRC / Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0849322642
  • Томсон, Уильям. 1851. К механической теории термоэлектрических токов. Proc. Рой. Soc. Эдинбург . 91–98.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 6 февраля 2020 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia, и на самоотверженных добровольцев, вносящих вклад в Фонд Викимедиа.Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедию Нового Света :

Примечание. могут применяться ограничения на использование отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Что такое эффект Пельтье?

Термоэлектричество — это электроэнергия, произведенная непосредственно из тепла. Производство электроэнергии из тепла называется эффектом Зеебека , в честь немецкого физика Томаса Дж.Зеебека, открывшего это явление в 1820-х годах.

Термоэлектричество возникает в электрической цепи, в которой два разнородных проводника или полупроводника соединены своими концами. Когда один из переходов имеет другую температуру, чем другой, в цепи будет течь постоянный электрический ток. Для данной термоэлектрической цепи, работающей в заданном диапазоне температур, величина тока зависит главным образом от разницы температур между двумя переходами; как правило, чем больше разница температур, тем больше ток.

Эффект Зеебека можно обратить; то есть, когда постоянный ток проходит через цепь, в которой два разнородных проводника или полупроводника соединены своими концами, на одном из переходов будет происходить нагрев, а на другом — охлаждение. Этот термоэлектрический эффект получил название эффекта Пельтье , в честь французского физика Жана К. А. Пельтье , который открыл его в 1830-х годах. Разработаны малогабаритные обогреватели и холодильники, работа которых основана на этом эффекте.

Эффект Пельтье (слева) Эффект Зеебека (справа)

Теория

Для объяснения эффекта Зеебека требуется понимание поведения электронов внутри металла. Не все электроны внутри металла связаны с определенными атомами; некоторые могут свободно передвигаться. Эти свободные электроны ведут себя как газ. Плотность «свободных» электронов (количество в единице объема) различается от металла к металлу. Следовательно, когда два разных металла соприкасаются, их электронные газы диффундируют друг в друга.Из-за разной плотности электронных газов и из-за того, что электроны несут электрический заряд, металлы на стыке становятся противоположно заряженными. Эта разница в заряде создает разность потенциалов на переходе. Степень диффузии «электронных газов» зависит от температуры. Если два перехода находятся при разных температурах, между переходами будет существовать разность потенциалов и будет течь ток.

Особо точная, экологически чистая, энергосберегающая система нагрева и охлаждения с технологией Пельтье используется в охлаждаемом инкубаторе Memmert IPP , камере постоянного климата HPP и камере хранения IPS .Нагрев и охлаждение в одной системе: если напряжение подается на элемент Пельтье, одна сторона охлаждается, а противоположная сторона одновременно нагревается. Просто изменив полярность напряжения питания, можно поменять местами горячую и холодную стороны элемента Пельтье.

Технология Пельтье работает особенно экономично и экономно при температурах, близких к температуре окружающей среды, поскольку энергия требуется только в том случае, если требуется нагрев или охлаждение, в отличие от компрессорной техники.Здесь можно выполнить очень точную настройку функций нагрева или охлаждения.

В режиме обогрева, как и в тепловом насосе, тепловая энергия удаляется из окружающего воздуха и вводится во внутреннюю камеру. Из-за закрытой системы охлаждения Пельтье не происходит обмен наружного воздуха. Преимущества: Отсутствие осушения внутренней камеры и значительное снижение риска загрязнения.

Охлаждение с помощью элемента Пельтье в охлаждаемом инкубаторе IPP, камере постоянного климата HPP и камере хранения IPS.

Принцип теплового насоса в режиме нагрева охлаждаемого инкубатора IPP, камеры постоянного климата HPP и камеры хранения IPS.

Для получения дополнительной информации о полном ассортименте духовок Memmert , инкубаторов и климатических камер заполните контактную форму ниже.

Термоэлектрическое охлаждение

Термоэлектрическое охлаждение — это процесс откачки тепловой энергии из изолированной камеры с целью снижения температуры камеры ниже температуры окружающего воздуха.В термоэлектрическом охлаждении используется принцип, называемый «эффектом ПЕЛЬТЬЕ», для электронной перекачки тепла. Эффект Пельтье назван в честь французского ученого, открывшего его в 1834 году.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ХОЛОДИЛЬНИКА

КОМПАКТНЫЙ РАЗМЕР

Для системы охлаждения требуется очень мало места. Термоэлектрический модуль размером со спичечный коробок.
ЛЕГКИЙ И ПОРТАТИВНЫЙ

Переносится одной рукой, на него не влияют движения или наклон.
ПО НИЖНЕЙ ЦЕНЕ

На 20-40% дешевле, чем компрессорные или абсорбционные установки.
РАЗРЯД БАТАРЕИ

В среднем примерно 4,5 ампера — меньше, чем у фар вашего автомобиля.

  • Срок службы батареи: При использовании вместе с Koolatron «Battery Saver» вы всегда можете быть уверены в наличии пускового питания.
  • Производительность: Кулеры Koolatron поддерживают «прохладную» температуру, когда воздух вокруг охладителя достигает 90 ° F
  • Нагрев: Охладители Koolatron могут работать в режиме обогрева непродолжительное время.Наши изолированные коробки ТОЛЬКО по специальному заказу используются в программах «Питание на колесах», в других программах горячего питания для пожилых людей, программах горячего питания в школах и поставщиками общественного питания по всей стране.
  • Безопасность: Не использовать открытый огонь, пропан или токсичные хладагенты.
  • Надежность: Термоэлектрики имеют 40-летний опыт использования в военных, аэрокосмических, лабораторных, а теперь и в бытовых приложениях.
  • Простое обслуживание: Большинство деталей легко заменяются конечным пользователем с помощью отвертки.
  • Низкие затраты на обслуживание: Единственное техническое обслуживание, необходимое для любого устройства Koolatron, — это периодическая «чистка» и очистка пылесосом для обеспечения хорошего рассеивания тепла.

ПОЧЕМУ ЭТО ЛУЧШЕ, ЧЕМ ЛЕДЯНОЙ СУНДУК?

Еда и напитки хранятся в холодном и сухом виде. Для льда не тратится пространство (если, конечно, вам не нужен лед, и в этом случае мы можем помочь сохранить его в 3–4 раза дольше, чем в обычном холодильнике).

СРАВНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОХЛАЖДЕНИЯ

THERMOELECTRIC : Охлаждение осуществляется электронным способом с использованием эффекта «Пельтье» — тепло перекачивается с помощью электрической энергии.

КОМПРЕССОР : Охлаждение достигается за счет испарения хладагента (например, фреона) внутри холодильника — тепло поглощается хладагентом по принципу «скрытой теплоты испарения» и выделяется за пределы холодильника, где пар конденсируется и сжимается. снова в жидкость. Использует механическую энергию.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

В 1834 году Жан Пельтье заметил, что когда электрический ток проходит через соединение двух разнородных металлов, тепло отводится от одного металла и передается другому.Это основа термоэлектрического охлаждения. Термоэлектрические модули состоят из серии крошечных металлических кубиков разнородных экзотических металлов, которые физически связаны друг с другом и соединены электрически. Когда электрический ток проходит через переходы куба, тепло передается от одного металла к другому. Твердотельные термоэлектрические модули способны передавать большое количество тепла при подключении к теплопоглощающему устройству с одной стороны и теплоотводящему устройству с другой.Внутренние алюминиевые ребра охлаждающей пластины Koolatron поглощают тепло от содержимого (еды и напитков), а термоэлектрические модули передают его на ребра рассеивания тепла под панелью управления. Здесь небольшой вентилятор помогает рассеивать тепло в воздухе. Система полностью экологически безопасна и не содержит опасных газов, труб, змеевиков и компрессора. Единственная подвижная часть — это небольшой вентилятор на 12 вольт. Термоэлектрические модули слишком дороги для обычных бытовых и коммерческих приложений, которые работают только от обычного бытового тока.Они идеально подходят для развлекательных целей, поскольку они легкие, компактные, нечувствительные к движению или наклону, не имеют движущихся частей и могут работать напрямую от 12-вольтовых батарей.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *