Εφέ του Peltier: το μαγικό αποτέλεσμα του ηλεκτρικού ρεύματος

Οι αρχές του 19ου αιώνα. Η Χρυσή Εποχή της Φυσικής και της Ηλεκτρολογίας. Το 1834, ο γαλλικός ωρολογοποιός και φυσιοδίφης Jean-Charles Peltier έβαλε μια σταγόνα νερού μεταξύ των ηλεκτροδίων βισμούθιου και αντιμονίου και στη συνέχεια πέρασε ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του κυκλώματος. Προς έκπληξη, είδε ότι η σταγόνα είχε καταψυχθεί ξαφνικά.

Η θερμική επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος στους αγωγούς ήταν γνωστή, αλλά το αντίθετο αποτέλεσμα ήταν παρόμοιο με τη μαγεία. Μπορείτε να καταλάβετε τα συναισθήματα του Peltier: αυτό το φαινόμενο στη διασταύρωση δύο διαφορετικών περιοχών φυσικής - θερμοδυναμικής και ηλεκτρισμού, προκαλεί σήμερα ένα θαύμα του θαύματος.

Το πρόβλημα της ψύξης δεν ήταν τόσο οξύ όπως είναι σήμερα. Επομένως, το φαινόμενο Peltier αντιμετωπίστηκε μόνο μετά από σχεδόν δύο αιώνες, όταν εμφανίστηκαν ηλεκτρονικές συσκευές, για τη λειτουργία των οποίων απαιτούνται μικροσκοπικά συστήματα ψύξης. Αρετή Στοιχεία ψύξης Peltier είναι μικρές διαστάσεις, η απουσία κινούμενων τμημάτων, η πιθανότητα διασυνδέσεων κλιμάκωσης για τη λήψη μεγάλων διαφορών θερμοκρασίας.

Επιπλέον, το φαινόμενο Peltier είναι αντιστρέψιμο: όταν αλλάζει η πολικότητα του ρεύματος μέσω της μονάδας, η ψύξη αντικαθίσταται από θέρμανση, έτσι είναι εύκολο να εφαρμοστούν συστήματα ακριβούς συντήρησης θερμοκρασίας - θερμοστάτες. Το μειονέκτημα των στοιχείων του Peltier (μονάδες) είναι η χαμηλή αποδοτικότητα, η οποία απαιτεί την αθροίση μεγάλων τιμών ρεύματος για να επιτευχθεί μια αισθητή διαφορά θερμοκρασίας. Η πολυπλοκότητα αντιπροσωπεύεται από την αφαίρεση της θερμότητας από την πλάκα απέναντι από το ψυχρό επίπεδο.

Αλλά τα πρώτα πράγματα πρώτα. Πρώτον, ας προσπαθήσουμε να εξετάσουμε τις φυσικές διαδικασίες που είναι υπεύθυνες για το παρατηρούμενο φαινόμενο. Χωρίς να βυθιστούμε στην άβυσσο των μαθηματικών υπολογισμών, θα προσπαθήσουμε μόνο να καταλάβουμε τη φύση αυτού του ενδιαφέροντος φυσικού φαινομένου στα "δάχτυλα".

Δεδομένου ότι μιλάμε για φαινόμενα θερμοκρασίας, οι φυσικοί, για την ευκολία μιας μαθηματικής περιγραφής, αντικαθιστούν τις δονήσεις του ατομικού πλέγματος ενός υλικού με ένα συγκεκριμένο αέριο που αποτελείται από σωματίδια - φωνόνια.

Η θερμοκρασία του αερίου φωνών εξαρτάται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και τις ιδιότητες του μετάλλου. Στη συνέχεια, κάθε μέταλλο είναι ένα μίγμα ηλεκτρονίων και φωνοειδών αερίων σε θερμοδυναμική ισορροπία.Όταν δύο διαφορετικά μέταλλα έρχονται σε επαφή απουσία ενός εξωτερικού πεδίου, ένα "θερμότερο" αέριο ηλεκτρονίων εισέρχεται στη ζώνη ενός "ψυχρότερου", δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού επαφής γνωστή σε όλους.

Όταν εφαρμόζεται η διαφορά δυναμικού στη μετάβαση, δηλ. καθώς το ρεύμα ρέει μέσω των ορίων δύο μετάλλων, τα ηλεκτρόνια αντλούν ενέργεια από τα φωνόνια ενός μετάλλου και το μεταφέρουν στο αέριο φωνών άλλου. Με μια αλλαγή στην πολικότητα, η μεταφορά ενέργειας, που σημαίνει ότι η θέρμανση και η ψύξη, αλλάζουν σημάδι.

Στους ημιαγωγούς, τα ηλεκτρόνια και οι "οπές" είναι υπεύθυνες για τη μεταφορά ενέργειας, αλλά διατηρείται ο μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας και η εμφάνιση διαφοράς θερμοκρασίας. Η διαφορά θερμοκρασίας αυξάνεται μέχρι να εξαντληθούν τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Η ισορροπία θερμοκρασίας ρυθμίζεται σε. Αυτή είναι η σύγχρονη εικόνα της περιγραφής Εφέ του Peltier.

Από αυτό είναι σαφές Απόδοση του στοιχείου Peltier εξαρτάται από την επιλογή ενός ζεύγους υλικών, την ισχύ του ρεύματος και την ταχύτητα απομάκρυνσης θερμότητας από την θερμή ζώνη. Για τα σύγχρονα υλικά (συνήθως ημιαγωγούς), η απόδοση είναι 5-8%.

Και τώρα για την πρακτική εφαρμογή του εφέ Peltier. Για να το αυξήσουν, τα ατομικά θερμοστοιχεία (διασταυρώσεις δύο διαφορετικών υλικών) συναρμολογούνται σε ομάδες αποτελούμενες από δεκάδες και εκατοντάδες στοιχεία. Ο κύριος σκοπός αυτών των μονάδων είναι η ψύξη μικρών αντικειμένων ή μικροκυκλωμάτων.

Μονάδα θερμοηλεκτρικής ψύξης

Οι μονάδες που βασίζονται στο φαινόμενο Peltier χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές νυχτερινής όρασης με μια μήτρα υπέρυθρων δεκτών.Οι μικροκυκλώματα με συσσωρευμένη φόρτιση (CCD), που χρησιμοποιούνται σήμερα και σε ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, απαιτούν βαθιά ψύξη για την καταγραφή εικόνων στην υπέρυθρη περιοχή. Οι μονάδες Peltier ψύχουν ανιχνευτές υπερύθρων σε τηλεσκόπια, ενεργά στοιχεία λέιζερ για τη σταθεροποίηση της συχνότητας ακτινοβολίας, κρυσταλλικούς ταλαντωτές σε συστήματα ακριβούς χρόνου. Αλλά αυτές είναι όλες οι στρατιωτικές και ειδικές εφαρμογές.

Πρόσφατα, οι ενότητες Peltier έχουν βρεθεί σε προϊόντα οικιακής χρήσης. Κυρίως στην τεχνολογία αυτοκινήτων: κλιματιστικά, φορητά ψυγεία, ψύκτες νερού.

Ένα παράδειγμα της πρακτικής χρήσης του αποτελέσματος του Peltier

Η πιο ενδιαφέρουσα και ελπιδοφόρα εφαρμογή των ενοτήτων είναι η τεχνολογία υπολογιστών. Οι μικροεπεξεργαστές υψηλής απόδοσης, οι επεξεργαστές και τα τσιπ κάρτας βίντεο εκπέμπουν πολύ θερμότητα. Για να τα ψύξετε, χρησιμοποιούνται ανεμιστήρες υψηλής ταχύτητας, οι οποίοι δημιουργούν σημαντικό ηχητικό θόρυβο. Η χρήση μονάδων Peltier ως μέρος συνδυασμένων συστημάτων ψύξης εξαλείφει τον θόρυβο με σημαντική απομάκρυνση θερμότητας.

Συμπαγής USBψύκτη χρησιμοποιώντας μονάδες Peltier

Και, τέλος, μια λογική ερώτηση: οι ενότητες Peltier θα αντικαταστήσουν συμβατικά συστήματα ψύξης σε οικιακά ψυγεία συμπίεσης; Σήμερα είναι ασύμφορη όσον αφορά την αποδοτικότητα (χαμηλή απόδοση) και την τιμή. Το κόστος των ισχυρών μονάδων εξακολουθεί να είναι αρκετά υψηλό.

Αλλά η επιστήμη της τεχνολογίας και των υλικών δεν στέκεται ακίνητη. Είναι αδύνατο να αποκλειστεί η πιθανότητα εμφάνισης νέων φθηνότερων υλικών με υψηλή απόδοση και υψηλό συντελεστή Peltier. Ήδη σήμερα υπάρχουν αναφορές από ερευνητικά εργαστήρια σχετικά με τις καταπληκτικές ιδιότητες των υλικών νανοκαρβονικού άνθρακα που μπορούν να αλλάξουν ριζικά την κατάσταση με αποτελεσματικά συστήματα ψύξης.

Υπήρχαν αναφορές για υψηλή θερμοηλεκτρική μορφή αξίας κλαστράτων - στερεών διαλυμάτων παρόμοιων σε δομή με ένυδρες μορφές. Όταν αυτά τα υλικά εγκαταλείπουν ερευνητικά εργαστήρια, οι σιωπηλοί ψύκτες με απεριόριστη διάρκεια ζωής αντικαθιστούν τα συνηθισμένα εγχώρια μοντέλα μας.

P.S. ΈναΩ από τα περισσότερα ενδιαφέρουσα χαρακτηριστικά θερμοηλεκτρική τεχνολογία είναι αυτό είναι μπορεί όχι μόνο να χρησιμοποιήσετε ηλεκτρική ενέργεια για να πάρει τη θερμότητα και το κρύο, αλλά επίσης χάρη σε αυτήν μπορείαλλά ξεκινήστε την αντίστροφη διαδικασία και, για παράδειγμα, πάρτε την ηλεκτρική ενέργεια από τη θερμότητα.  

Ένα παράδειγμα για το πώς μπορείτε πάρτε ηλεκτρική ενέργεια από τη θερμότητα με χρησιμοποιώντας τη θερμοηλεκτρική μονάδα (θερμοηλεκτρική γεννήτρια) Κοιτάξτε αυτό βίντεο:

Τι νομίζετε για αυτό; Αναμονή για τα σχόλιά σας!