Peltier θερμοηλεκτρική μονάδα - συσκευή, αρχή λειτουργίας, χαρακτηριστικά

Το φαινόμενο της εμφάνισης του θερμο-EMF ανακαλύφθηκε από το Γερμανό φυσικό Thomas Johann Seebeck το 1821. Και αυτό το φαινόμενο συνίσταται στο γεγονός ότι σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από ετερογενείς αγωγούς συνδεδεμένους σε σειρά, με την προϋπόθεση ότι οι επαφές τους βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, συμβαίνει EMF.

Αυτό το φαινόμενο, το όνομά του από τον ανακαλύπτω του, το φαινόμενο Seebeck, καλείται τώρα απλά θερμοηλεκτρικό αποτέλεσμα.

Εάν το κύκλωμα αποτελείται μόνο από ένα ζεύγος ανόμονων αγωγών, τότε καλείται ένα τέτοιο κύκλωμα θερμοστοιχείο. Σε μια πρώτη προσέγγιση, μπορεί να υποστηριχθεί ότι το μέγεθος του θερμο-emf εξαρτάται μόνο από το υλικό των αγωγών και από τις θερμοκρασίες των ψυχρών και θερμών επαφών. Έτσι, σε ένα μικρό εύρος θερμοκρασιών, το θερμικό EMF είναι ανάλογο της θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ των ψυχρών και θερμών επαφών και ο συντελεστής αναλογικότητας στον τύπο ονομάζεται συντελεστής θερμικής-EMF.

Έτσι, για παράδειγμα, σε διαφορά θερμοκρασίας 100 ° C, σε ψυχρή θερμοκρασία επαφής 0 ° C, ένα ζεύγος χαλκού-σταθεροποιητή έχει ένα θερμο-EMF 4,25 mV.

Εν τω μεταξύ Το θερμοηλεκτρικό αποτέλεσμα βασίζεται σε τρία συστατικά:

Ο πρώτος παράγοντας είναι η διαφορά στις διάφορες ουσίες στην εξάρτηση της μέσης ενέργειας ηλεκτρονίων από τη θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα, αν η θερμοκρασία του αγωγού στο ένα άκρο είναι υψηλότερη, τότε τα ηλεκτρόνια αποκτούν υψηλότερες ταχύτητες εκεί από τα ηλεκτρόνια στο ψυχρό άκρο του αγωγού.

Παρεμπιπτόντως, η συγκέντρωση ηλεκτρονίων αγωγιμότητας αυξάνεται επίσης στους ημιαγωγούς με θέρμανση. Τα ηλεκτρόνια βυθίζονται στο ψυχρό άκρο σε υψηλή ταχύτητα και συσσωρεύεται αρνητικό φορτίο και αποκτάται ένα μη αντισταθμισμένο θετικό φορτίο στο θερμό άκρο. Έτσι, υπάρχει ένα συστατικό του θερμο-EMF, που ονομάζεται ογκομετρικό EMF.

Ο δεύτερος παράγοντας είναι ότι για διαφορετικές ουσίες, η διαφορά δυναμικού επαφής εξαρτάται από τη θερμοκρασία διαφορετικά. Αυτό οφείλεται στη διαφορά στην ενέργεια Fermi καθενός από τους αγωγούς που έρχονται σε επαφή. Η διαφορά δυναμικού επαφής που προκύπτει σε αυτή την περίπτωση είναι ανάλογη με τη διαφορά ενέργειας Fermi.

Ένα ηλεκτρικό πεδίο επιτυγχάνεται σε ένα λεπτό στρώμα επαφής και η διαφορά δυναμικού σε κάθε πλευρά (για καθέναν από τους αγωγούς που έρχονται σε επαφή) θα είναι η ίδια και όταν το κύκλωμα κρούει σε κλειστό κύκλωμα, το προκύπτον ηλεκτρικό πεδίο θα είναι μηδενικό.

Αλλά αν η θερμοκρασία ενός από τους αγωγούς διαφέρει από τη θερμοκρασία του άλλου, τότε εξαιτίας της εξάρτησης της ενέργειας Fermi από τη θερμοκρασία, η διαφορά δυναμικού θα αλλάξει επίσης. Ως αποτέλεσμα, θα υπάρξει επαφή EMF - το δεύτερο συστατικό του θερμο-EMF.

Ο τρίτος παράγοντας είναι η αύξηση του phonon στο EMF. Υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχει βαθμίδα θερμοκρασίας στο στερεό, θα κυριαρχεί ο αριθμός των φωνόνων (phonon - το κβαντικό της δονητικής κίνησης των ατόμων κρυστάλλου) προς την κατεύθυνση από το καυτό σημείο στο κρύο, με αποτέλεσμα μαζί με τα φωνόνια να μεταφερθεί ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων προς το ψυχρό άκρο , και ένα αρνητικό φορτίο θα συσσωρευτεί εκεί έως ότου η διαδικασία έρθει σε ισορροπία.

Αυτό δίνει το τρίτο συστατικό του θερμο-EMF, το οποίο σε χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί να είναι εκατοντάδες φορές υψηλότερο από τα δύο συστατικά που αναφέρθηκαν παραπάνω.

Το 1834, ο γάλλος φυσικός Jean Charles Peltier ανακάλυψε το αντίθετο αποτέλεσμα. Διαπίστωσε ότι όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από μια διασταύρωση δύο ανόμονων αγωγών, η θερμότητα απελευθερώνεται ή απορροφάται.

Η ποσότητα απορροφούμενης ή απελευθερωμένης θερμότητας συνδέεται με τον τύπο των συγκολλημένων ουσιών, καθώς και με την κατεύθυνση και το μέγεθος του ηλεκτρικού ρεύματος που ρέει διαμέσου της διασταύρωσης.Ο συντελεστής Peltier στον τύπο είναι αριθμητικά ίσος με τον συντελεστή θερμο-EMF πολλαπλασιασμένο με την απόλυτη θερμοκρασία. Αυτό το φαινόμενο είναι πλέον γνωστό ως peltier effect.

Το 1838, ο Ρώσος φυσικός Emiliy Khristianovich Lenz κατανόησε την ουσία του αποτελέσματος του Peltier. Πειραματικά δοκιμάστηκε το φαινόμενο Peltier τοποθετώντας μια σταγόνα νερού στη διασταύρωση δειγμάτων αντιμονίου και βισμούθιου. Όταν ο Lenz πέρασε ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του κυκλώματος, το νερό μετατράπηκε σε πάγο, αλλά όταν ο επιστήμονας αντιστρέψει την κατεύθυνση του ρεύματος, ο πάγος τήχθηκε γρήγορα.

Ο επιστήμονας καθιερώθηκε με τέτοιο τρόπο ώστε όταν το ρεύμα ρέει, όχι μόνο η θερμότητα Joule απελευθερώθηκε, αλλά και η απορρόφηση ή η απελευθέρωση πρόσθετης θερμότητας. Αυτή η επιπλέον θερμότητα ονομάζεται θερμότητα Peltier.

Η φυσική βάση του αποτελέσματος Peltier έχει ως εξής. Το πεδίο επαφής στη διασταύρωση δύο ουσιών, που δημιουργείται από τη διαφορά δυναμικού επαφής είτε εμποδίζει τη διέλευση ρεύματος μέσω του κυκλώματος ή συμβάλλει σε αυτό.

Εάν το ρεύμα περάσει στο πεδίο, τότε απαιτείται η εργασία της πηγής, η οποία θα πρέπει να ξοδεύει ενέργεια για να ξεπεράσει το πεδίο επαφής, με αποτέλεσμα να θερμαίνεται η διασταύρωση. Εάν το ρεύμα κατευθύνεται έτσι ώστε το πεδίο επαφής να το υποστηρίζει, τότε το πεδίο επαφής κάνει το έργο και η ενέργεια αφαιρείται από την ίδια την ουσία και δεν καταναλώνεται από την πηγή ρεύματος. Ως αποτέλεσμα, η ουσία στη διασταύρωση ψύχεται.

Το πιο εκφραστικό αποτέλεσμα του Peltier στους ημιαγωγούς, λόγω του οποίου οι μονάδες Peltier ή θερμοηλεκτρικούς μετατροπείς.

Στην καρδιά του Στοιχείο Peltier δύο ημιαγωγών σε επαφή μεταξύ τους. Αυτοί οι ημιαγωγοί διακρίνονται από την ενέργεια των ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας, οπότε όταν ρέει ένα ρεύμα μέσω του σημείου επαφής, τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να αποκτήσουν ενέργεια για να μπορούν να μεταφερθούν σε μια άλλη ζώνη αγωγής.

Έτσι, όταν μετακινούνται σε μια ζώνη αγωγιμότητας υψηλότερης ενέργειας ενός άλλου ημιαγωγού, τα ηλεκτρόνια απορροφούν ενέργεια, ψύγοντας το σημείο μετάβασης. Στην αντίθετη κατεύθυνση του ρεύματος, τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν ενέργεια και η θέρμανση εμφανίζεται επιπλέον της θερμότητας του Joule.

Η μονάδα ημιαγωγού Peltier αποτελείται από πολλά ζεύγη ημιαγωγών p και n-τύπουόπως μικρά παραλληλεπίπεδα. Συνήθως, τελλουριούχο βισμούθιο και ένα στερεό διάλυμα πυριτίου και γερμανίου χρησιμοποιούνται ως ημιαγωγοί. Οι παραλληλεπίπεδες ημιαγωγών αλληλοσυνδέονται σε ζεύγη με χάλκινους βραχυκυκλωτήρες. Αυτά τα jumper χρησιμεύουν ως επαφές για ανταλλαγή θερμότητας με κεραμικές πλάκες.

Τα jumpers βρίσκονται έτσι ώστε στη μία πλευρά της μονάδας να υπάρχουν μόνο jumper που παρέχουν μια μετάβαση n-p, και από την άλλη πλευρά, μόνο jumpers που παρέχουν μια μετάβαση p-n. Ως αποτέλεσμα, όταν εφαρμόζεται ένα ρεύμα, η μία πλευρά της μονάδας θερμαίνεται, η άλλη πλευρά ψύχεται και αν η πολικότητα της τροφοδοσίας αντιστραφεί, οι πλευρές θέρμανσης και ψύξης θα αλλάξουν θέσεις ανάλογα. Έτσι, με τη διέλευση του ρεύματος, η θερμότητα μεταφέρεται από τη μια πλευρά της μονάδας στην άλλη και εμφανίζεται διαφορά θερμοκρασίας.

Εάν τώρα η μία πλευρά της μονάδας Peltier θερμαίνεται και η άλλη ψύχεται, τότε θα εμφανιστεί το θερμο-emf στο κύκλωμα, δηλαδή θα πραγματοποιηθεί το φαινόμενο Seebeck. Προφανώς, το φαινόμενο Seebeck (θερμοηλεκτρικό αποτέλεσμα) και το φαινόμενο Peltier είναι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος.

Σήμερα μπορείτε εύκολα να αγοράσετε μονάδες Peltier σε σχετικά προσιτή τιμή. Οι πιο δημοφιλείς μονάδες Perrier είναι τύπου TEC1-12706, που περιέχουν 127 θερμοστοιχεία και έχουν σχεδιαστεί για τροφοδοσία 12 volt.

Με μέγιστη κατανάλωση 6 αμπέρ, επιτυγχάνεται διαφορά θερμοκρασίας 60 ° C, ενώ η περιοχή ασφαλούς θερμοκρασίας λειτουργίας που δηλώνεται από τον κατασκευαστή είναι από -30 ° C έως + 70 ° C. Το μέγεθος της μονάδας είναι 40mm x 40mm x 4mm. Η μονάδα μπορεί να λειτουργήσει τόσο σε λειτουργία θέρμανσης ψύξης όσο και σε λειτουργία παραγωγής.

Υπάρχουν πιο ισχυρές μονάδες Peltier, για παράδειγμα TEC1-12715, με ονομαστική ισχύ 165 Watt. Όταν τροφοδοτείται από τάση από 0 έως 15,2 V, με ισχύ ρεύματος από 0 έως 15 A, αυτή η μονάδα μπορεί να αναπτύξει διαφορά θερμοκρασίας 70 μοιρών.Το μέγεθος της μονάδας είναι επίσης 40mm x 40mm x 4mm, ωστόσο το φάσμα των ασφαλών θερμοκρασιών λειτουργίας είναι ευρύτερο - από -40 ° C έως + 90 ° C.

Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τα δεδομένα για τις μονάδες Peltier που διατίθενται ευρέως στην αγορά σήμερα:

Δεδομένα σχετικά με τις μονάδες Pelt