Пелтиеров ефекат: магични ефекат електричне струје

Почетак 19. века. Златно доба физике и електротехнике. 1834. године, француски часовник и природословац Јеан-Цхарлес Пелтиер ставио је кап воде између бизмутних и антимон електрода, а потом прошао електричну струју кроз круг. На своје чуђење, видео је да је кап изненада заледила.

Био је познат топлотни утицај електричне струје на проводнике, али супротан ефекат био је сличан магији. Можете схватити Пелтиерова осећања: ова појава на споју два различита подручја физике - термодинамике и електрицитета - данас изазива осећај чуђења.

Проблем хлађења није био толико акутан као данас. Стога се Пелтиеровом ефекту позабавио тек након скоро два века, када су се појавили електронски уређаји, за рад којих су потребни минијатурни системи за хлађење. Врлина Пелтиер елементи за хлађење су мале димензије, одсуство покретних делова, могућност каскадних прикључака за постизање великих температурних разлика.

Поред тога, Пелтиер-ов ефекат је реверзибилан: када се поларитет струје кроз модул промени, хлађење се замењује грејањем, тако да је лако имплементирати системе за прецизно одржавање температуре - термостате. Недостатак Пелтиер-ових елемената (модула) је мала ефикасност, која захтева сумирање великих вредности струје да би се добила приметна температурна разлика. Сложеност представља уклањање топлоте са плоче супротне хлађеној равнини.

Али прво ствари. Прво покушајмо да размотримо физичке процесе који су одговорни за посматрани феномен. Без урањања у бездан математичких прорачуна, једноставно ћемо покушати да на прсте схватимо природу овог занимљивог физичког феномена.

Пошто говоримо о температурним појавама, физичари, ради практичности математичког описа, замењују вибрације атомске решетке материјала са неким гасом који се састоји од, такође, честица - фонона.

Температура фононског гаса зависи од температуре околине и својстава метала. Тада је било који метал мешавина електрона и фононских гасова у термодинамичкој равнотежи. Када два различита метала дођу у контакт у одсуству спољног поља, „топлији“ гас електрона продре у „хладнију“ зону, стварајући разлику потенцијалног контакта свима.

Када се примењује разлика потенцијала на прелаз, тј. док струја тече преко границе двају метала, електрони узимају енергију из фонона једног метала и преносе је у фононски гас другог. Са променом поларитета, пренос енергије, што значи да загревање и хлађење мења знак.

У полуводичима су за пренос енергије одговорни електрони и „рупе“, али је сачуван механизам преноса топлоте и појава температурне разлике. Температурна разлика расте све док се не потроше високоенергетски електрони. Температура равнотеже се поставља. Ово је савремена слика описа Пелтиер ефекат.

Из тога је јасно Изведба елемената савијача зависи од избора пара материјала, јачине струје и брзине уклањања топлоте из вруће зоне. За савремене материјале (обично полуводиче), ефикасност је 5-8%.

А сада о практичној примени Пелтиер ефекта. Да би се повећала, појединачни термопарови (спојеви два различита материјала) састављају се у групе које се састоје од десетина и стотина елемената. Основна сврха таквих модула је хлађење малих предмета или микроциркира.

Термоелектрични модул за хлађење

Модули засновани на Пелтиеровом ефекту се широко користе у уређајима за ноћно осматрање са матрицом инфрацрвених пријемника.Микрокрути везани за пуњење (ЦЦД-ови), који се данас користе и у дигиталним фотоапаратима, захтевају дубоко хлађење за снимање слика у инфрацрвеном подручју. Пелтиер-ови модули хладе инфрацрвене детекторе у телескопима, активне ласерске елементе за стабилизацију фреквенције зрачења, кристални осцилатори у тачним временским системима. Али ово су све војне и специјалне апликације.

Недавно су Пелтиер модули нашли примјену у производима за домаћинство. Углавном у аутомобилској технологији: клима уређаји, преносни фрижидери, хладњаци за воду.

Пример практичне употребе Пелтиер-овог ефекта

Најзанимљивија и најперспективнија примена модула је рачунарска технологија. Микропроцесори, процесори и чипови видео картица високих перформанси емитују велику количину топлоте. За њихово хлађење користе се вентилатори велике брзине, који стварају значајан звучни звук. Употреба Пелтиер модула као дела комбинованих расхладних система елиминише буку уз значајно уклањање топлоте.

Компактно УСБхладњак помоћу Пелтиер модула

И, на крају, логично питање: да ли ће Пелтиер-ови модули заменити уобичајене расхладне системе у компресорским фрижидерима за домаћинство? Данас је то неисплативо у смислу ефикасности (ниске ефикасности) и цене. Цена моћних модула је и даље прилично велика.

Али технологија и наука о материјалима не стоје мирно. Немогуће је искључити могућност појаве нових, јефтинијих материјала са високом ефикасношћу и високим Пелтиеровим коефицијентом. Већ данас постоје извештаји истраживачких лабораторија о невероватним својствима материјала од нанокарбона који могу радикално променити ситуацију са ефикасним системима за хлађење.

Било је извештаја о високој термоелектричној вредности кластрата - чврстих раствора који су по структури слични хидратима. Када ови материјали изађу из истраживачких лабораторија, потпуно тихи хладњаци са неограниченим радним веком заменити ће наше уобичајене кућне моделе.

П.С. Једанох од највише занимљиво карактеристике термоелектрична технологија је ли то она је мај не само користити електрична енергија да добијете топлоту и хладноћу, али такође захваљујући њој можеали започните обрнути процес и, на пример, добијате електричну енергију из топлоте.  

Пример како можете добити струју из топлоте са помоћу термоелектричног модула (термоелектрични генератор) погледај ово видео:

Шта ви мислите о овоме? Чекам ваше коментаре!