Рубрики
Интересные факты

Эффект Пельтье: волшебное действие электронного тока

Начало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье расположил каплю воды меж электродами из висмута и сурьмы

Эффект Пельтье: волшебное действие электронного токаНачало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье расположил каплю воды меж электродами из висмута и сурьмы, а потом пропустил по цепи электронный ток. К собственному изумлению, он увидел, что капля внезапно промерзла.

О термическом действии электронного тока на проводники было понятно, а вот оборотный эффект был сродни магии. Можно осознать чувства Пельтье: это явление на стыке 2-ух различных областей физики — термодинамики и электричества вызывает чувство чуда и сейчас.

Неувязка остывания тогда не была таковой острой, как сейчас. Потому к эффекту Пельтье обратились только спустя практически два столетия, когда появились электрические устройства, для работы которых потребовались маленькие системы остывания. Достоинством охлаждающих частей Пельтье являются малые габариты, отсутствие передвигающихся деталей, возможность каскадного соединения для получения огромных перепадов температур.

Не считая этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, остывание сменяется нагреванием, потому на нем просто реализуются системы четкого поддержания температуры — термостаты. Недочетом частей (модулей) Пельтье является маленький КПД, что просит подведения огромных значений тока для получения приметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластинки, обратной охлаждаемой плоскости.

Но обо всем по-порядку. Для начала попытаемся разглядеть физические процессы, ответственные за наблюдаемое явление. Не погружаясь в бездну математических выкладок, попытаемся просто на «пальцах» осознать природу этого увлекательного физического явления.

Так как идет речь о температурных явлениях, физики, для удобства математического описания, подменяют колебания атомной решетки материала некоторым газом, состоящим из вроде бы частиц — фононов.

Температура фононного газа находится в зависимости от температуры среды и параметров металла. Тогда хоть какой металл — это смесь электрического и фононного газов, находящихся в термодинамическом равновесии.При контакте 2-ух различных металлов в отсутствии наружного поля более «жаркий» электрический газ просачивается в зону более «прохладного», создавая известную всем контактную разность потенциалов.

При прикладывании разности потенциалов к переходу, т.е. протекании тока через границу 2-ух металлов, электроны забирают энергию у фононов 1-го металла и передают ее фононному газу другого. При смене полярности передача энергии, а означает, нагрев и остывание меняют символ.

В полупроводниках за перенос энергии отвечают электроны и «дырки», но механизм переноса тепла и возникновения разности температур сохраняется. Разность температур возрастает до того времени, пока не истощатся высокоэнергетичные электроны. Наступает температурное равновесие. Такая современная картина описания эффекта Пельтье.

Из нее понятно, что эффективность работы элемента Пельтье находится в зависимости от подбора пары материалов, силы тока и скорости отвода тепла от жаркой зоны. Для современных материалов (обычно, это полупроводники) КПД составляет 5-8%.

А сейчас о практическом применении эффекта Пельтье. Для его роста отдельные термопары (спаи 2-ух разных материалов) собираются в группы, состоящие из 10-ов и сотен частей. Основное предназначение таких модулей — это остывание маленьких объектов либо микросхем.

Эффект Пельтье: волшебное действие электронного тока

Термоэлектрический охлаждающий модуль

Обширное применение модули на эффекте Пельтье отыскали в устройствах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сейчас используют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубочайшего остывания для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные сенсоры в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, кварцевые генераторы в системах четкого времени. Но это все внедрения военного и специального предназначения.

С недавнешних пор модули Пельтье отыскали применение и в бытовых изделиях. В большей степени, в авто технике: кондюки, переносные холодильники, охладители воды.

Эффект Пельтье: волшебное действие электронного тока

Пример практического использования эффекта Пельтье

Более увлекательным и многообещающим применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные процессоры микропроцессоры и чипы графических адаптеров выделяют огромное количество тепла. Для их остывания используют высокоскоростные вентиляторы, которые делают значимые акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем остывания избавляют шум при значимом отборе тепла.

Эффект Пельтье: волшебное действие электронного тока

Малогабаритный USB-холодильник с внедрением модулей Пельтье

И, в конце концов, закономерный вопрос: поменяют ли модули Пельтье обычные системы остывания в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодня это нерентабельно исходя из убеждений эффективности (малый КПД) и цены. Цена массивных модулей еще довольно высока.

Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность возникновения новых, более дешевеньких материалов с огромным КПД и высочайшим значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сейчас возникают сообщения из исследовательских лабораторий об умопомрачительных свойствах наноуглеродных материалов, которые конструктивно сумеют поменять ситуацию с действенными системами остывания.

Появились сообщения о высочайшей термоэлектрической эффективности кластратов — твердотельных смесей, схожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совсем бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы поменяют наши обычные домашние модели.

P.S. Одной из самых увлекательных особенностей термоэлектрической технологии будет то, что она может не только лишь использовать электронную энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить оборотный процесс, и, к примеру, из тепла получить электронную энергию.

Пример того, как можно получить электроэнергию из тепла с внедрением термоэлектрического модуля (термоэлектрического генератора) смотрите на этом видео:

А что Вы думаете по этому поводу? Жду Ваших комментариев!