Efectul Peltier: efectul magic al curentului electric

Începutul secolului al XIX-lea. Epoca de Aur a fizicii și ingineriei electrice. În 1834, producătorul de ceasuri și naturalistul francez Jean-Charles Peltier a plasat o picătură de apă între electrozii bismut și antimoniu, apoi a trecut un curent electric prin circuit. Spre uimirea sa, a văzut că picătura se înghețase brusc.

Efectul termic al curentului electric asupra conductorilor era cunoscut, dar efectul opus era asemănător magiei. Puteți înțelege sentimentele lui Peltier: acest fenomen la intersecția a două domenii diferite ale fizicii - termodinamica și electricitate, provoacă astăzi un sentiment de minune.

Problema de răcire nu a fost la fel de acută ca în prezent. Prin urmare, efectul Peltier a fost abordat abia după aproape două secole, când au apărut dispozitive electronice, pentru operarea cărora erau necesare sisteme de răcire în miniatură. demnitate Elemente de răcire Peltier sunt dimensiuni mici, absența pieselor mobile, posibilitatea conexiunilor în cascadă pentru a obține diferențe mari de temperatură.

În plus, efectul Peltier este reversibil: atunci când polaritatea curentului prin modul se schimbă, răcirea este înlocuită de încălzire, astfel încât este ușor de implementat sisteme de menținere a temperaturii precise - termostate. Dezavantajul elementelor (modulelor) Peltier este eficiența scăzută, ceea ce necesită însumarea unor valori mari curente pentru a obține o diferență de temperatură vizibilă. Complexitatea este reprezentată de îndepărtarea căldurii de pe placa opusă planului răcit.

Dar primele lucruri în primul rând. În primul rând, să încercăm să luăm în considerare procesele fizice responsabile de fenomenul observat. Fără să ne cufundăm în abisul calculelor matematice, vom încerca doar să înțelegem natura „acestui fenomen fizic interesant” pe „degete”.

Deoarece vorbim despre fenomene de temperatură, fizicienii, pentru comoditatea unei descrieri matematice, înlocuiesc vibrațiile zăcământului atomic al unui material cu un anumit gaz, format din particule - fononi.

Temperatura gazului fonon depinde de temperatura ambiantă și de proprietățile metalului. Apoi, orice metal este un amestec de electroni și gaze fononice în echilibru termodinamic. Când două metale diferite vin în contact în absența unui câmp extern, un gaz de electroni „mai fierbinte” pătrunde într-o zonă „mai rece”, creând o diferență de potențial de contact cunoscută de toată lumea.

Atunci când aplicați diferența de potențial la tranziție, adică pe măsură ce curentul curge prin limita a două metale, electronii preiau energie de la fononii unui metal și o transferă în gazele fononice ale altuia. Cu o schimbare de polaritate, transferul de energie, ceea ce înseamnă că încălzirea și răcirea, semnul schimbării.

În semiconductori, electronii și „găurile” sunt responsabile pentru transferul de energie, dar se păstrează mecanismul transferului de căldură și aspectul unei diferențe de temperatură. Diferența de temperatură crește până la epuizarea electronilor cu energie mare. Echilibrul de temperatură se stabilește în. Aceasta este imaginea modernă a descrierii Efectul Peltier.

Din aceasta reiese clar Performanța elementului Peltier depinde de selectarea unei perechi de materiale, rezistența curentă și viteza de îndepărtare a căldurii din zona fierbinte. Pentru materialele moderne (de obicei semiconductoare), eficiența este de 5-8%.

Și acum despre aplicarea practică a efectului Peltier. Pentru a-l crește, termocuple individuale (joncțiuni din două materiale diferite) sunt asamblate în grupuri constând din zeci și sute de elemente. Scopul principal al acestor module este răcirea obiectelor mici sau a microcircuitelor.

Modul de răcire termoelectric

Modulele bazate pe efectul Peltier sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele cu vedere nocturnă cu o matrice de receptoare cu infraroșu.Microcircuitele cuplate la sarcină, care sunt de asemenea utilizate astăzi în camerele digitale, necesită răcire profundă pentru a înregistra imagini în regiunea infraroșu. Modulele Peltier detectează raze infraroșii la telescoape, elemente laser active pentru a stabiliza frecvența de radiație, oscilatoare de cristal în sistemele de timp exacte. Dar toate acestea sunt aplicații militare și speciale.

Recent, modulele Peltier au găsit aplicații în produsele de uz casnic. În principal în tehnologia auto: aparate de aer condiționat, frigidere portabile, răcitoare de apă.

Un exemplu de utilizare practică a efectului Peltier

Cea mai interesantă și promițătoare aplicație a modulelor este tehnologia computerizată. Microprocesoarele, procesoarele și cipurile de plăci video de înaltă performanță emit foarte multă căldură. Pentru răcirea lor, se folosesc ventilatoare de mare viteză, care creează un zgomot acustic semnificativ. Utilizarea modulelor Peltier ca parte a sistemelor combinate de răcire elimină zgomotul cu îndepărtarea semnificativă a căldurii.

compact USBracitor folosind module Peltier

Și, în sfârșit, o întrebare logică: modulele Peltier vor înlocui sistemele de răcire convenționale în frigiderele casnice cu compresie? Astăzi este nerentabil din punct de vedere al eficienței (eficiență scăzută) și al prețului. Costul modulelor puternice este încă destul de mare.

Dar tehnologia și știința materialelor nu stau nemișcate. Este imposibil să excludem posibilitatea apariției de materiale noi, mai ieftine, cu o eficiență ridicată și un coeficient ridicat de Peltier. Deja astăzi există rapoarte ale laboratoarelor de cercetare despre proprietățile uimitoare ale materialelor din nanocarbon care pot schimba radical situația cu sisteme de răcire eficiente.

Au existat rapoarte privind o valoare ridicată a meritelor clastrelor - soluții solide similare în structură cu hidrați. Atunci când aceste materiale părăsesc laboratoarele de cercetare, răcitoarele silențioase complet cu o durată de viață nelimitată vor înlocui modelele noastre obișnuite de casă.

P.S. unuloh dintre cele mai multe interesant caracteristici tehnologie termoelectrică este asta ea este putea nu numai a folosi energie electrică pentru a obține căldură și frig, dar, de asemenea datorită ei WMSdar începe procesul invers și, de exemplu, obține energie electrică din căldură.  

Un exemplu despre cum poți obține electricitate de la căldură cu folosind modulul termoelectric (generator termoelectric) uită-te la asta Video:

Ce părere aveți despre asta? Așteaptă comentariile tale!