وحدة بلتييه الحرارية - الجهاز ، مبدأ التشغيل ، الخصائص

اكتشف عالم الفيزياء الألماني توماس يوهان سيبيك ظاهرة ظهور EMF الحرارية في عام 1821. وتكمن هذه الظاهرة في حقيقة أنه في دائرة كهربائية مغلقة تتكون من موصلات غير متجانسة متصلة في سلسلة ، شريطة أن تكون ملامساتها في درجات حرارة مختلفة ، يحدث EMF.

هذا التأثير ، الذي سمي على اسم مكتشفه ، تأثير Seebeck ، يسمى الآن ببساطة تأثير الحرارية.

إذا كانت الدائرة تتكون فقط من زوج من الموصلات المتباينة ، فإن هذه الدائرة تسمى المزدوجة الحرارية. في التقريب الأول ، يمكن القول أن حجم emf الحرارية يعتمد فقط على مادة الموصلات وعلى درجات حرارة التلامس الباردة والساخنة. وبالتالي ، في نطاق درجة حرارة صغير ، تتناسب EMF الحرارية مع اختلاف درجة الحرارة بين جهات الاتصال الباردة والساخنة ، ويطلق على معامل التناسب في الصيغة معامل معامل EMF الحراري.

لذلك ، على سبيل المثال ، عند اختلاف درجة الحرارة عند 100 درجة مئوية ، عند درجة حرارة تلامس باردة تبلغ 0 درجة مئوية ، يكون لزوج ثابت من النحاس ثابت حراري EMF يبلغ 4.25 مللي فولت.

وفي الوقت نفسه، يعتمد التأثير الحراري على ثلاثة مكونات:

العامل الأول هو الفرق في الاعتماد على درجة الحرارة لمتوسط ​​طاقة الإلكترون للمواد المختلفة. نتيجة لذلك ، إذا كانت درجة حرارة الموصل في نهاية واحدة أعلى ، فإن الإلكترونات تحصل على سرعات أعلى من الإلكترونات في الطرف البارد للموصل.

بالمناسبة ، يزيد تركيز إلكترونات التوصيل أيضًا في أشباه الموصلات مع التدفئة. تتدفق الإلكترونات إلى النهاية الباردة بسرعة عالية ، وتتراكم شحنة سالبة هناك ، ويتم الحصول على شحنة موجبة غير معادلة في النهاية الساخنة. لذلك هناك مكون من EMF الحرارية ، ودعا EMF الحجمي.

العامل الثاني هو أنه بالنسبة للمواد المختلفة ، يعتمد فرق جهد التلامس على درجة الحرارة بشكل مختلف. هذا بسبب الاختلاف في طاقة Fermi لكل من الموصلات التي تم ملامستها. يتناسب فرق جهد التلامس الناشئ في هذه الحالة مع اختلاف طاقة فيرمي.

يتم الحصول على المجال الكهربائي في طبقة تلامس رقيقة ، والفرق المحتمل على كل جانب (لكل من الموصلات التي تم تلامسها) سيكون هو نفسه ، وعندما تكون الدائرة محاطة بدائرة مغلقة ، يكون الحقل الكهربائي الناتج صفراً.

ولكن إذا كانت درجة حرارة أحد الموصلات تختلف عن درجة حرارة الآخر ، فبسبب اعتماد طاقة Fermi على درجة الحرارة ، سيتغير الفرق المحتمل أيضًا. نتيجة لذلك ، سيكون هناك اتصال EMF - المكون الثاني من EMF الحرارية.

العامل الثالث هو زيادة phonon في EMF. شريطة أن يكون هناك تدرج في درجة الحرارة في المادة الصلبة ، فإن عدد الفونونات (الفونون - كمية الحركة الذكرية للذرات البلورية) التي تتحرك في الاتجاه من النهاية الساخنة إلى البرد سوف يسود ، مما يؤدي إلى جانب الفونونات إلى نقل عدد كبير من الإلكترونات باتجاه النهاية الباردة ، وسوف تتراكم شحنة سالبة هناك حتى تأتي عملية التوازن.

هذا يعطي المكون الثالث من EMF الحرارية ، والذي في درجات حرارة منخفضة يمكن أن يكون أعلى بمئات المرات من المكونين المذكورين أعلاه.

في عام 1834 ، اكتشف الفيزيائي الفرنسي جان تشارلز بلتيير التأثير المعاكس. وجد أنه عندما يمر تيار كهربائي عبر تقاطع موصلين مختلفين ، يتم إطلاق الحرارة أو امتصاصها.

يرتبط مقدار الحرارة الممتصة أو المنبعثة بنوع المواد الملحومة ، وكذلك مع اتجاه وحجم التيار الكهربائي الذي يتدفق عبر الوصلة.معامل بلتيير في الصيغة مساو عدديًا لمعامل EMF الحراري مضروبًا في درجة الحرارة المطلقة. هذه الظاهرة تعرف الآن باسم تأثير بلتيير.

في عام 1838 ، فهم الفيزيائي الروسي إميلي كريستيانوفيتش لينز جوهر تأثير بلتيير. لقد اختبر بشكل تجريبي تأثير بلتيير بوضع قطرة ماء في تقاطع عينات الأنتيمون والبزموت. عندما مر لينز بتيار كهربائي عبر الدائرة ، تحول الماء إلى جليد ، لكن عندما عكس العالم اتجاه التيار ، ذاب الجليد بسرعة.

أسس العالم بطريقة أنه عندما يتدفق التيار ، لم يتم إطلاق حرارة Joule فقط ، ولكن تمت أيضًا امتصاص حرارة إضافية أو إطلاقها. هذه الحرارة الإضافية كانت تسمى حرارة بلتيير.

الأساس المادي لتأثير بلتيير على النحو التالي. حقل التلامس عند تقاطع مادتين ، تم إنشاؤه بواسطة فرق جهد التلامس ، إما يمنع مرور التيار عبر الدائرة ، أو يساهم فيه.

إذا تم تمرير التيار ضد الحقل ، فعندئذ يكون عمل المصدر مطلوبًا ، والذي يجب أن ينفق الطاقة على التغلب على مجال الاتصال ، ونتيجة لذلك يتم تسخين الوصلة. إذا كان التيار موجهاً بحيث يدعمه حقل التلامس ، فإن حقل التلامس يقوم بالعمل ، ويتم استخلاص الطاقة من المادة نفسها ، ولا يستهلكها المصدر الحالي. نتيجة لذلك ، يتم تبريد المادة الموجودة في التقاطع.

تأثير بلتيير الأكثر تعبيرا في أشباه الموصلات ، وذلك بسبب وحدات بلتيير أو المحولات الحرارية.

في قلب عنصر بلتيير أشباه الموصلات في اتصال مع بعضها البعض. تتميز أشباه الموصلات هذه بطاقة الإلكترونات في شريط التوصيل ، لذلك عندما يتدفق التيار عبر نقطة التلامس ، تُجبر الإلكترونات على الحصول على الطاقة لتتمكن من الانتقال إلى نطاق توصيل آخر.

لذلك ، عند الانتقال إلى شريط توصيل طاقة أعلى من أشباه الموصلات آخر ، تمتص الإلكترونات الطاقة ، وتبريد موقع الانتقال. في الاتجاه المعاكس للتيار ، تنطلق الإلكترونات من الطاقة ، ويحدث التسخين بالإضافة إلى حرارة جول.

تتكون وحدة أشباه الموصلات بلتيير من عدة أزواج أشباه الموصلات ع ون نوععلى شكل متوازيات صغيرة. عادة ، يتم استخدام تيلوريد البزموت ومحلول صلب من السيليكون والجرمانيوم كأشباه موصلات. متوازيات أشباه الموصلات مترابطة في أزواج من قبل لاعبي النحاس. هذه لاعبا بمثابة اتصالات لتبادل الحرارة مع لوحات السيراميك.

توجد وصلات العبور بحيث لا يوجد في جهة واحدة من الوحدة النمطية سوى وصلات مرور توفر انتقالًا n-p ، ومن ناحية أخرى ، توفر وصلات العبور فقط انتقال p-n. نتيجة لذلك ، عند تطبيق التيار ، ترتفع حرارة أحد جانبي الوحدة ، بينما يبرد الجانب الآخر ، وإذا تم عكس قطبية العرض ، فستتغير جوانب التدفئة والتبريد في الأماكن تبعًا لذلك. وبالتالي ، مع مرور التيار ، يتم نقل الحرارة من جانب واحد من الوحدة إلى الجانب الآخر ، ويحدث اختلاف في درجة الحرارة.

إذا تم الآن تسخين أحد جانبي وحدة Peltier وتم تبريد الجانب الآخر ، فستظهر درجة الحرارة الحرارية في الدائرة ، أي تأثير Seebeck سيتحقق. من الواضح أن تأثير Seebeck (التأثير الحراري) وتأثير Peltier هما وجهان لعملة واحدة.

اليوم يمكنك بسهولة شراء وحدات Peltier بسعر معقول نسبيًا. وحدات Perrier الأكثر شعبية هي نوع TEC1-12706 ، الذي يحتوي على 127 المزدوجات الحرارية ، ومصمم لتزويد 12 فولت.

مع الحد الأقصى لاستهلاك 6 أمبير ، يمكن تحقيق اختلاف في درجة الحرارة 60 درجة مئوية ، في حين أن نطاق التشغيل الآمن الذي تطالب به الشركة المصنعة هو من -30 درجة مئوية إلى + 70 درجة مئوية. حجم الوحدة هو 40 مم × 40 مم × 4 مم. وحدة يمكن أن تعمل في وضع التدفئة والتبريد على حد سواء وضع الجيل.

هناك وحدات بلتيير أكثر قوة ، على سبيل المثال TEC1-12715 ، تصنيفها في 165 واط. عند تشغيلها بجهد يتراوح من 0 إلى 15.2 فولت ، مع قوة حالية تتراوح من 0 إلى 15 أمبير ، فإن هذه الوحدة قادرة على تطوير فرق في درجة الحرارة من 70 درجة.يبلغ حجم الوحدة أيضًا 40 مم × 40 مم × 4 مم ، إلا أن نطاق درجات حرارة العمل الآمنة أوسع من -40 درجة مئوية إلى + 90 درجة مئوية.

يعرض الجدول أدناه البيانات الخاصة بوحدات بلتيير المتوفرة على نطاق واسع في السوق اليوم:

بيانات عن وحدات بلت