Peltier-Effekt: Der magische Effekt von elektrischem Strom

Anfang des 19. Jahrhunderts. Das goldene Zeitalter der Physik und Elektrotechnik. 1834 legte der französische Uhrmacher und Naturforscher Jean-Charles Peltier einen Wassertropfen zwischen die Wismut- und Antimonelektroden und leitete dann elektrischen Strom durch den Stromkreis. Zu seinem Erstaunen sah er, dass der Tropfen plötzlich gefroren war.

Der thermische Effekt von elektrischem Strom auf die Leiter war bekannt, aber der gegenteilige Effekt war magisch. Sie können die Gefühle von Peltier verstehen: Dieses Phänomen an der Schnittstelle zweier verschiedener Bereiche der Physik - Thermodynamik und Elektrizität - verursacht heute ein Gefühl des Wunders.

Das Kühlproblem war nicht so akut wie heute. Daher wurde der Peltier-Effekt erst nach fast zwei Jahrhunderten angesprochen, als elektronische Geräte auftauchten, für deren Betrieb Miniaturkühlsysteme erforderlich waren. Tugend Peltier-Kühlelemente sind kleine Abmessungen, das Fehlen beweglicher Teile, die Möglichkeit von Kaskadenverbindungen, um große Temperaturunterschiede zu erzielen.

Darüber hinaus ist der Peltier-Effekt reversibel: Wenn sich die Polarität des Stroms durch das Modul ändert, wird die Kühlung durch Heizung ersetzt, sodass es einfach ist, Systeme zur genauen Temperaturerhaltung - Thermostate - zu implementieren. Der Nachteil von Peltier-Elementen (Modulen) ist der geringe Wirkungsgrad, bei dem große Stromwerte summiert werden müssen, um einen spürbaren Temperaturunterschied zu erzielen. Die Komplexität wird durch die Wärmeabfuhr von der Platte gegenüber der gekühlten Ebene dargestellt.

Aber das Wichtigste zuerst. Versuchen wir zunächst, die physikalischen Prozesse zu betrachten, die für das beobachtete Phänomen verantwortlich sind. Ohne in den Abgrund mathematischer Berechnungen einzutauchen, werden wir nur versuchen, die Natur dieses interessanten physikalischen Phänomens an den „Fingern“ zu verstehen.

Da es sich um Temperaturphänomene handelt, ersetzen Physiker zur Vereinfachung einer mathematischen Beschreibung die Schwingungen des Atomgitters eines Materials durch ein bestimmtes Gas, das sozusagen aus Teilchen - Phononen - besteht.

Die Temperatur des Phonongases hängt von der Umgebungstemperatur und den Eigenschaften des Metalls ab. Dann ist jedes Metall ein Gemisch aus Elektronen und Phononengasen im thermodynamischen Gleichgewicht. Wenn zwei verschiedene Metalle ohne externes Feld in Kontakt kommen, dringt ein „heißeres“ Elektronengas in eine „kältere“ Zone ein und erzeugt eine allen bekannte Kontaktpotentialdifferenz.

Wenn die Potentialdifferenz auf den Übergang angewendet wird, d.h. Wenn Strom durch die Grenze zweier Metalle fließt, nehmen Elektronen Energie von den Phononen eines Metalls auf und übertragen sie auf das Phononengas eines anderen. Bei einer Änderung der Polarität ändert die Energieübertragung, dh das Heizen und Kühlen, das Vorzeichen.

In Halbleitern sind Elektronen und „Löcher“ für die Energieübertragung verantwortlich, aber der Mechanismus der Wärmeübertragung und das Auftreten eines Temperaturunterschieds bleiben erhalten. Die Temperaturdifferenz nimmt zu, bis energiereiche Elektronen aufgebraucht sind. Das Temperaturgleichgewicht setzt ein. Dies ist das moderne Bild der Beschreibung Peltier-Effekt.

Daraus geht hervor, dass Peltier-Elementleistung hängt von der Auswahl eines Materialpaares, der Stromstärke und der Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr aus der heißen Zone ab. Für moderne Materialien (normalerweise Halbleiter) beträgt der Wirkungsgrad 5-8%.

Und nun zur praktischen Anwendung des Peltier-Effekts. Um dies zu erhöhen, werden einzelne Thermoelemente (Übergänge aus zwei verschiedenen Materialien) zu Gruppen zusammengesetzt, die aus zehn und Hunderten von Elementen bestehen. Der Hauptzweck solcher Module ist die Kühlung kleiner Objekte oder Mikrokreise.

Thermoelektrisches Kühlmodul

Module, die auf dem Peltier-Effekt basieren, werden häufig in Nachtsichtgeräten mit einer Matrix von Infrarotempfängern verwendet.Ladungsgekoppelte Mikroschaltungen (CCDs), die heute auch in Digitalkameras verwendet werden, erfordern eine Tiefenkühlung, um Bilder im Infrarotbereich aufzunehmen. Peltier-Module kühlen Infrarotdetektoren in Teleskopen, aktive Laserelemente zur Stabilisierung der Strahlungsfrequenz, Kristalloszillatoren in genauen Zeitsystemen. Dies sind jedoch alles militärische und spezielle Anwendungen.

In letzter Zeit haben Peltier-Module Anwendung in Haushaltsprodukten gefunden. Hauptsächlich in der Automobiltechnik: Klimaanlagen, tragbare Kühlschränke, Wasserkühler.

Ein Beispiel für die praktische Anwendung des Peltier-Effekts

Die interessanteste und vielversprechendste Anwendung von Modulen ist die Computertechnologie. Hochleistungs-Mikroprozessoren, Prozessoren und Grafikkarten-Chips geben viel Wärme ab. Zur Kühlung werden Hochgeschwindigkeitsventilatoren verwendet, die erhebliche akustische Geräusche verursachen. Die Verwendung von Peltier-Modulen als Teil kombinierter Kühlsysteme eliminiert Geräusche mit erheblicher Wärmeabfuhr.

Kompakt USBKühler mit Peltier-Modulen

Und schließlich eine logische Frage: Werden Peltier-Module herkömmliche Kühlsysteme in Kompressions-Haushaltskühlschränken ersetzen? Heute ist es in Bezug auf Effizienz (niedrige Effizienz) und Preis unrentabel. Die Kosten für leistungsstarke Module sind immer noch recht hoch.

Technologie und Materialwissenschaft stehen jedoch nicht still. Es ist nicht auszuschließen, dass neue, billigere Materialien mit hohem Wirkungsgrad und hohem Peltier-Koeffizienten auftreten. Bereits heute gibt es Berichte von Forschungslabors über die erstaunlichen Eigenschaften von Nanokohlenstoffmaterialien, die die Situation mit effizienten Kühlsystemen radikal verändern können.

Es gab Berichte über eine hohe thermoelektrische Gütezahl von Clastraten - feste Lösungen, deren Struktur Hydraten ähnelt. Wenn diese Materialien aus Forschungslabors kommen, ersetzen völlig geräuschlose Kühler mit unbegrenzter Lebensdauer unsere üblichen Haushaltsmodelle.

P.S. Einsoh der meisten interessant Funktionen thermoelektrische Technologie ist das sie ist Mai Nicht nur zu verwenden elektrische Energie Hitze und Kälte bekommen, aber auch dank ihr kannStarten Sie jedoch den umgekehrten Prozess und beziehen Sie beispielsweise elektrische Energie aus Wärme.  

Ein Beispiel, wie Sie können Strom aus Wärme holen mit mit thermoelektrischem Modul (thermoelektrischer Generator) Schau dir das an Video:

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