Modul termoelectric Peltier - dispozitiv, principiu de funcționare, caracteristici

Fenomenul apariției termo-EMF a fost descoperit de fizicianul german Thomas Johann Seebeck încă din 1821. Și acest fenomen constă în faptul că într-un circuit electric închis format din conductori eterogeni conectați în serie, cu condiția ca contactele lor să fie la temperaturi diferite, apare un EMF.

Acest efect, numit după descoperitorul său, efectul Seebeck, este acum numit simplu efect termoelectric.

Dacă circuitul este format doar dintr-o pereche de conductori diferiți, atunci un astfel de circuit este numit termocuplu. Într-o primă aproximație, se poate afirma că amploarea termofemului depinde doar de materialul conductoarelor și de temperaturile contactelor reci și fierbinți. Astfel, într-un interval mic de temperatură, termo-EMF este proporțională cu diferența de temperatură dintre contactele reci și fierbinți, iar coeficientul de proporționalitate din formulă se numește coeficientul termo-EMF.

Deci, de exemplu, la o diferență de temperatură de 100 ° C, la o temperatură de contact rece de 0 ° C, o pereche de cupru-constantan are un termo-EMF de 4,25 mV.

Între timp, Efectul termoelectric se bazează pe trei componente:

Primul factor este diferența în dependența de temperatură a energiei medii de electroni a diferitelor substanțe. Drept urmare, dacă temperatura conductorului la un capăt este mai mare, atunci electronii dobândesc acolo viteze mai mari decât electronii de la capătul rece al conductorului.

Apropo, concentrația electronilor de conducere crește și la semiconductori cu încălzire. Electronii se grăbesc până la capătul rece la o viteză mare, iar acolo se acumulează o sarcină negativă, iar la capătul fierbinte se obține o sarcină pozitivă necompensată. Așadar, există o componentă a termo-EMF, numită EMF volumetrică.

Al doilea factor este că pentru diferite substanțe, diferența de potențial de contact depinde diferit de temperatură. Aceasta se datorează diferenței de energie Fermi a fiecăruia dintre conductoarele aduse în contact. Diferența de potențial de contact care apare în acest caz este proporțională cu diferența de energie Fermi.

Un câmp electric este obținut într-un strat de contact subțire, iar diferența de potențial pe fiecare parte (pentru fiecare dintre conductoarele aduse în contact) va fi aceeași, iar când circuitul este înconjurat într-un circuit închis, câmpul electric rezultat va fi zero.

Dar, dacă temperatura unuia dintre conductori diferă de temperatura celuilalt, datorită dependenței de energie Fermi de temperatură, diferența de potențial se va schimba și ea. Ca urmare, va exista contact EMF - a doua componentă a termo-EMF.

Al treilea factor este creșterea fononică a EMF. Cu condiția să existe un gradient de temperatură în solid, va predomina numărul de fononi (fonon - cantitatea de mișcare vibrațională a atomilor de cristal) care se deplasează în direcția de la capătul cald la rece, ca urmare a faptului că, împreună cu fononii, un număr mare de electroni va fi îndepărtat spre capătul rece și o încărcătură negativă se va acumula acolo până când procesul ajunge la echilibru.

Acest lucru oferă a treia componentă a termo-EMF, care la temperaturi scăzute poate fi de sute de ori mai mare decât cele două componente menționate mai sus.

În 1834, fizicianul francez Jean Charles Peltier a descoperit efectul opus. El a descoperit că atunci când un curent electric trece printr-o joncțiune a doi conductori diferiți, căldura este eliberată sau absorbită.

Cantitatea de căldură absorbită sau degajată este asociată cu tipul de substanțe lipite, precum și cu direcția și mărimea curentului electric care curge prin joncțiune.Coeficientul Peltier din formulă este egal numeric cu coeficientul de termo-EMF înmulțit cu temperatura absolută. Acest fenomen este acum cunoscut sub numele de efect peltier.

În 1838, fizicianul rus Emiliy Khristianovici Lenz a înțeles esența efectului Peltier. El a testat experimental efectul Peltier prin plasarea unei picături de apă în joncțiunea probelor de antimoniu și bismut. Când Lenz a trecut un curent electric prin circuit, apa s-a transformat în gheață, dar când omul de știință a inversat direcția curentului, gheața s-a topit rapid.

Omul de știință a stabilit astfel încât atunci când curentul curge, nu numai căldura Joule a fost eliberată, ci și absorbția sau eliberarea de căldură suplimentară. Această căldură suplimentară a fost numită căldură Peltier.

Baza fizică a efectului Peltier este următoarea. Câmpul de contact de la joncțiunea a două substanțe, creat de diferența de potențial de contact, fie împiedică trecerea curentului prin circuit, fie contribuie la acesta.

Dacă curentul este trecut împotriva câmpului, atunci este necesară lucrarea sursei, care ar trebui să cheltuiască energie la depășirea câmpului de contact, în urma căreia joncțiunea este încălzită. Dacă curentul este direcționat astfel încât câmpul de contact să-l susțină, atunci câmpul de contact lucrează, iar energia este îndepărtată de substanța în sine și nu este consumată de sursa curentă. Ca urmare, substanța din joncțiune este răcită.

Cel mai expresiv efect Peltier în semiconductori, datorită căruia modulele Peltier sau convertoare termoelectrice.

În inima Elementul Peltier doi semiconductori în contact între ei. Acești semiconductori se disting prin energia electronilor din banda de conducere, astfel încât atunci când un curent curge prin punctul de contact, electronii sunt obligați să achiziționeze energie pentru a putea transfera într-o altă bandă de conducere.

Deci, atunci când treceți la o bandă de conducere de energie mai mare a unui alt semiconductor, electronii absorb energia, răcind locul de tranziție. În direcția opusă curentului, electronii dau energie, iar încălzirea are loc pe lângă căldura Joule.

Modulul semiconductor Peltier este format din mai multe perechi semiconductori de tip p și nîn formă de mici paralelipipede. De obicei, telurura de bismut și o soluție solidă de siliciu și germaniu sunt utilizate ca semiconductori. Paralepipedele semiconductoare sunt interconectate în perechi de jumperi de cupru. Aceste pulovere servesc ca contacte pentru schimbul de căldură cu plăci ceramice.

Jumper-urile sunt amplasate astfel încât pe o parte a modulului să existe doar jumper-uri care asigură tranziția n-p, iar pe de altă parte, doar jumper-uri care asigură tranziția p-n. Drept urmare, când se aplică un curent, o parte a modulului se încălzește, cealaltă parte se răcește, iar dacă polaritatea puterii este inversată, laturile de încălzire și răcire vor schimba locurile în consecință. Astfel, odată cu trecerea curentului, căldura este transferată dintr-o parte a modulului în cealaltă și apare o diferență de temperatură.

Dacă acum o parte a modulului Peltier este încălzită și cealaltă este răcită, atunci va apărea în circuit termofem, adică se va realiza efectul Seebeck. Evident, efectul Seebeck (efect termoelectric) și efectul Peltier sunt două fețe ale aceleiași monede.

Astăzi puteți achiziționa cu ușurință module Peltier la un preț relativ accesibil. Cele mai populare module Perrier sunt de tip TEC1-12706, care conțin 127 de termocuple și sunt proiectate pentru alimentarea de 12 volți.

Cu un consum maxim de 6 amperi, este posibilă o diferență de temperatură de 60 ° C, în timp ce intervalul de funcționare sigur revendicat de producător este de la -30 ° C la + 70 ° C. Dimensiunea modulului este 40mm x 40mm x 4mm. Modulul poate funcționa atât în ​​modul de încălzire prin răcire, cât și în interior modul de generare.

Există module Peltier mai puternice, de exemplu TEC1-12715, nominalizate la 165 wați. Când este alimentat cu o tensiune de la 0 la 15,2 volți, cu o putere curentă de 0 la 15 amperi, acest modul este capabil să dezvolte o diferență de temperatură de 70 de grade.Dimensiunea modulului este de asemenea 40mm x 40mm x 4mm, cu toate acestea, gama de temperaturi de lucru sigure este mai largă - de la -40 ° C la + 90 ° C.

Tabelul de mai jos prezintă datele privind modulele Peltier, care sunt disponibile pe piață astăzi:

Date despre modulele Pelt