Modul thermoelectric Peltier - peranti, prinsip operasi, ciri-ciri

Fenomena kemunculan thermo-EMF ditemui oleh ahli fizik Jerman, Thomas Johann Seebeck pada 1821. Dan fenomena ini terdiri daripada fakta bahawa dalam litar elektrik tertutup yang terdiri daripada konduktor heterogen yang terhubung dalam siri, dengan syarat bahawa hubungan mereka berada pada suhu yang berbeza, EMF berlaku.

Kesan ini, dinamakan selepas penemuannya, kesan Seebeck, kini hanya dipanggil kesan termoelektrik.

Jika litar terdiri daripada sepasang konduktor yang berbeza, maka litar tersebut dipanggil termokopel. Dalam penghampiran pertama, boleh dikatakan bahawa magnitud termo-emf hanya bergantung kepada bahan konduktor dan pada suhu kenalan sejuk dan panas. Oleh itu, dalam julat suhu kecil, thermo-EMF berkadaran dengan perbezaan suhu antara hubungan sejuk dan panas, dan pekali proporsionalitas dalam formula dipanggil pekali thermo-EMF.

Jadi, sebagai contoh, pada perbezaan suhu 100 ° C, pada suhu sentuhan sejuk 0 ° C, sepasang tembaga-constantan mempunyai nilai thermo-EMF sebanyak 4.25 mV.

Sementara itu Kesan thermoelectric adalah berdasarkan tiga komponen:

Faktor pertama adalah perbezaan dalam bahan yang berlainan dalam pergantungan tenaga elektron purata pada suhu. Akibatnya, jika suhu konduktor pada satu hujung adalah lebih tinggi, maka elektron-elektron memperoleh kelajuan lebih tinggi di sana daripada elektron pada akhir sejuk konduktor.

Dengan cara ini, kepekatan elektron konduksi juga meningkat di semikonduktor dengan pemanasan. Elektron terburu-buru ke akhir sejuk pada kelajuan tinggi, dan caj negatif berkumpul di sana, dan caj positif yang tidak dikompensasi diperoleh pada hujung panas. Oleh itu, terdapat komponen thermo-EMF, dipanggil EMF volumetrik.

Faktor kedua ialah untuk bahan-bahan yang berlainan, perbezaan potensi hubungan bergantung pada suhu yang berbeza. Ini disebabkan oleh perbezaan tenaga Fermi setiap konduktor yang dibawa ke dalam hubungan. Perbezaan potensi kenalan yang timbul dalam kes ini adalah berkadar dengan perbezaan tenaga Fermi.

Medan elektrik diperolehi dalam lapisan sentuh nipis, dan perbezaan potensi pada setiap sisi (bagi setiap konduktor yang dibawa ke sentuhan) akan sama, dan apabila litar itu dililing dalam litar tertutup, medan elektrik yang dihasilkan akan menjadi sifar.

Tetapi jika suhu salah satu konduktor berbeza dari suhu yang lain, maka disebabkan oleh pergantungan tenaga Fermi pada suhu, perbezaan potensial juga akan berubah. Akibatnya, akan dihubungi EMF - komponen kedua thermo-EMF.

Faktor ketiga ialah kenaikan phonon dalam EMF. Dengan syarat bahawa dalam pepejal terdapat kecerunan suhu, bilangan fonon (phonon - kuantum gerakan getaran atom kristal) bergerak ke arah dari hujung panas ke sejuk akan berlaku, sebagai hasilnya bersama-sama dengan phonon sebilangan besar elektron akan dibawa ke arah akhir sejuk , dan caj negatif akan berkumpul di sana sehingga proses itu datang kepada keseimbangan.

Ini memberikan komponen ketiga thermo-EMF, yang pada suhu rendah boleh beratus-ratus kali lebih tinggi daripada dua komponen yang disebutkan di atas.

Pada tahun 1834, ahli fizik Perancis Jean Charles Peltier menemui kesan sebaliknya. Dia mendapati bahawa apabila arus elektrik melalui persimpangan dua konduktor yang berbeza, haba dibebaskan atau diserap.

Jumlah haba yang diserap atau dilepaskan dikaitkan dengan jenis bahan yang dipateri, serta dengan arah dan magnitud arus elektrik yang mengalir melalui persimpangan.Koefisien Peltier dalam formula adalah bersamaan dengan pekali thermo-EMF yang didarab dengan suhu mutlak. Fenomena ini kini dikenali sebagai kesan peltier.

Pada tahun 1838, ahli fizik Rusia Emiliy Khristianovich Lenz memahami intipati kesan Peltier. Dia menguji kesan Peltier secara percubaan dengan meletakkan setitik air di persimpangan antimoni dan sampel bismut. Ketika Lenz melewati arus elektrik melalui litar, air itu berubah menjadi es, tetapi ketika ahli sains membalik arah arus, es cepat meleleh.

Ahli sains ditubuhkan sedemikian rupa bahawa apabila aliran semasa, bukan sahaja haba Joule dibebaskan, tetapi juga penyerapan atau pelepasan haba tambahan berlaku. Haba tambahan ini dipanggil haba Peltier.

Dasar fizikal kesan Peltier adalah seperti berikut. Medan hubungan di persimpangan dua bahan, yang dicipta oleh perbezaan potensi hubungan, sama ada menghalang laluan semasa melalui litar, atau menyumbang kepadanya.

Jika arus diluluskan terhadap bidang, maka kerja sumber diperlukan, yang perlu menghabiskan tenaga untuk mengatasi medan kontak, akibatnya persimpangan dipanaskan. Jika arus diarahkan supaya bidang sentuhan menyokongnya, maka medan sentuhan itu berfungsi, dan tenaga itu diambil dari bahan itu sendiri, dan tidak dimakan oleh sumber semasa. Akibatnya, bahan di simpang disejukkan.

Kesan peltier yang paling ekspresif dalam semikonduktor, kerana modul Peltier atau penukar thermoelectric.

Di tengah-tengah Unsur peltier dua semikonduktor bersentuhan antara satu sama lain. Semikonduktor ini dibezakan oleh tenaga elektron dalam jalur konduksi, jadi apabila arus mengalir melalui titik sentuhan, elektron terpaksa memperoleh tenaga untuk dapat dipindahkan ke jalur konduksi lain.

Oleh itu, apabila berpindah ke kumpulan pengalir tenaga yang lebih tinggi daripada semikonduktor lain, elektron menyerap tenaga, menyejukkan tapak peralihan. Dalam arah yang bertentangan semasa, elektron mengeluarkan tenaga, dan pemanasan berlaku sebagai tambahan kepada haba Joule.

Modul semikonduktor Peltier terdiri daripada beberapa pasangan semikonduktor p dan n-jenisberbentuk seperti paralelepip kecil. Biasanya, telluride bismut dan penyelesaian padu silikon dan germanium digunakan sebagai semikonduktor. Parallelepiped semikonduktor dihubungkan secara berpasangan oleh jumper tembaga. Pelompat ini berfungsi sebagai kenalan untuk pertukaran haba dengan plat seramik.

Pelompat terletak sehingga satu sisi modul hanya ada jumper yang menyediakan peralihan n-p, dan sebaliknya, hanya jumper yang menyediakan peralihan p-n. Akibatnya, apabila arus diterapkan, satu sisi modul dipanaskan, bahagian lain menyejuk, dan jika polaritas kuasa terbalik, pemanasan dan penyejukan akan mengubah tempat-tempat yang sesuai. Oleh itu, dengan lintasan semasa, haba dipindahkan dari satu sisi modul ke yang lain, dan perbezaan suhu berlaku.

Jika sekarang satu sisi modul Peltier dipanaskan dan yang lain disejukkan, maka thermo-emf akan muncul di litar, iaitu kesan Seebeck akan direalisasikan. Jelas sekali, kesan Seebeck (kesan termoelektrik) dan kesan Peltier adalah dua sisi duit syiling yang sama.

Hari ini anda boleh dengan mudah membeli modul Peltier dengan harga yang agak berpatutan. Modul Perrier yang paling popular adalah jenis TEC1-12706, mengandungi 127 termokopel, dan direka untuk bekalan 12 volt.

Dengan penggunaan maksima 6 ampere, perbezaan suhu 60 ° C boleh dicapai, manakala julat suhu operasi yang selamat yang diisytiharkan oleh pengeluar adalah dari -30 ° C hingga + 70 ° C. Saiz modul ialah 40mm x 40mm x 4mm. Modul ini boleh berfungsi dalam mod pemanasan dan pemanasan mod generasi.

Terdapat lebih banyak peltier Peltier, contohnya TEC1-12715, diberi nilai pada 165 watt. Apabila dikuasakan oleh voltan 0 hingga 15.2 volt, dengan kekuatan semasa 0 hingga 15 amperes, modul ini dapat membangun perbezaan suhu 70 darjah.Saiz modul juga 40mm x 40mm x 4mm, bagaimanapun, julat suhu kerja selamat adalah lebih luas - dari -40 ° C hingga + 90 ° C.

Jadual di bawah menunjukkan data mengenai modul Peltier yang banyak terdapat di pasaran hari ini:

Data pada Modul Pelt