Peltierův efekt: magický účinek elektrického proudu

Začátek 19. století. Zlatý věk fyziky a elektrotechniky. V roce 1834 francouzský hodinář a přírodovědec Jean-Charles Peltier umístil kapku vody mezi elektrody bizmutu a antimonu a potom obvodem prošel elektrický proud. K jeho úžasu viděl, že kapka náhle zamrzla.

Tepelný účinek elektrického proudu na vodiče byl známý, ale opačný účinek byl podobný magii. Můžete pochopit pocity Peltiera: tento jev na křižovatce dvou různých oblastí fyziky - termodynamiky a elektřiny, dnes způsobuje zázrak.

Problém chlazení nebyl tak akutní jako dnes. Peltierův efekt byl proto vyřešen až po téměř dvou stoletích, kdy se objevily elektronické přístroje, pro jejichž provoz byly vyžadovány miniaturní chladicí systémy. Ctnost Peltierovy chladicí prvky jsou malé rozměry, absence pohyblivých částí, možnost kaskádového připojení k dosažení velkých teplotních rozdílů.

Peltierův efekt je navíc reverzibilní: když se změní polarita proudu přes modul, chlazení se nahradí vytápěním, takže je snadné implementovat systémy přesné udržování teploty - termostaty. Nevýhodou Peltierových prvků (modulů) je nízká účinnost, která vyžaduje sčítání velkých proudových hodnot, aby se získal znatelný teplotní rozdíl. Složitost je představována odváděním tepla z desky naproti ochlazené rovině.

Nejdříve ale první. Nejprve se pokusme zvážit fyzické procesy zodpovědné za pozorovaný jev. Aniž bychom se vrhli do propasti matematických výpočtů, pokusíme se pochopit podstatu tohoto zajímavého fyzikálního jevu na „prstech“.

Protože mluvíme o teplotních jevech, fyzici, pro usnadnění matematického popisu, nahraďte vibrace atomové mřížky materiálu určitým plynem sestávajícím z částic - fononů.

Teplota plynného fononu závisí na okolní teplotě a vlastnostech kovu. Pak je jakýkoli kov směsí elektronových a fononových plynů v termodynamické rovnováze. Když se v nepřítomnosti vnějšího pole dostanou do kontaktu dva různé kovy, „horký“ elektronový plyn proniká do „chladnější“ zóny a vytváří tak každému potenciální rozdíl v kontaktním potenciálu.

Při použití potenciálního rozdílu na přechod, tj. jak proud protéká hranicí dvou kovů, elektrony odebírají energii z fononů jednoho kovu a přenášejí jej na fononový plyn jiného. Se změnou polarity se mění přenos energie, což znamená, že topení a chlazení mění znaménko.

V polovodičích jsou za přenos energie odpovědné elektrony a „díry“, ale mechanismus přenosu tepla a vzhled teplotního rozdílu jsou zachovány. Rozdíl teplot se zvyšuje, dokud nejsou vyčerpány elektrony s vysokou energií. Teplotní rovnováha je nastavena na. Toto je moderní obrázek popisu Peltierův efekt.

Z toho je jasné, že Výkon Peltierových prvků závisí na výběru dvojice materiálů, aktuální síle a rychlosti odvádění tepla z horké zóny. U moderních materiálů (obvykle polovodičů) je účinnost 5-8%.

A nyní o praktické aplikaci Peltierova efektu. Pro její zvýšení jsou jednotlivé termočlánky (spojení dvou různých materiálů) sestaveny do skupin sestávajících z desítek a stovek prvků. Hlavním účelem těchto modulů je chlazení malých předmětů nebo mikroobvodů.

Termoelektrický chladicí modul

Moduly založené na Peltierově efektu jsou široce používány v zařízeních pro noční vidění s maticí infračervených přijímačů.Mikroobvody s nábojem spojené (CCD), které se dnes také používají v digitálních fotoaparátech, vyžadují pro záznam snímků v infračervené oblasti hluboké chlazení. Peltierovy moduly chladí infračervené detektory v dalekohledech, aktivní laserové prvky stabilizují frekvenci záření, krystalové oscilátory v přesných časových systémech. Ale to jsou všechny vojenské a speciální aplikace.

Moduly Peltier nedávno našli uplatnění v domácích produktech. Hlavně v automobilové technologii: klimatizace, přenosné chladničky, vodní chladiče.

Příklad praktického využití Peltierova efektu

Nejzajímavější a nejslibnější aplikací modulů je výpočetní technika. Vysoce výkonné mikroprocesory, procesory a čipy grafických karet vydávají velké množství tepla. K jejich chlazení se používají vysokorychlostní ventilátory, které vytvářejí významný akustický šum. Použití modulů Peltier jako součásti kombinovaných chladicích systémů eliminuje hluk s výrazným odvodem tepla.

Kompaktní USBchladič pomocí modulů Peltier

A konečně logická otázka: nahradí moduly Peltier konvenční chladicí systémy v kompresorových chladničkách pro domácnost? Dnes je nerentabilní z hlediska účinnosti (nízká účinnost) a ceny. Náklady na výkonné moduly jsou stále poměrně vysoké.

Ale věda o technologiích a materiálech nestojí. Není možné vyloučit možnost výskytu nových, levnějších materiálů s vysokou účinností a vysokým Peltierovým koeficientem. Již dnes existují zprávy z výzkumných laboratoří o úžasných vlastnostech nanokarbonových materiálů, které mohou radikálně změnit situaci pomocí efektivních chladicích systémů.

Byly hlášeny zprávy o vysokém termoelektrickém výkonu klastrů - pevná řešení podobná struktuře jako hydráty. Když tyto materiály vycházejí z výzkumných laboratoří, nahradí naše obvyklé domácí modely zcela tiché chladiče s neomezenou životností.

P.S. Jedenoh nejvíce zajímavé funkce termoelektrická technologie je to ona je květen nejen použít elektrická energie získat teplo a chlad, ale také díky ní můžeale spusťte zpětný proces a získejte například elektrickou energii z tepla.  

Příklad, jak můžete získat elektřinu z tepla s pomocí termoelektrického modulu (termoelektrický generátor) podívej se na to video:

Co si o tom myslíš? Čekání na vaše komentáře!