Peltier-vaikutus: sähkövirran maaginen vaikutus

1800-luvun alku. Fysiikan ja sähkötekniikan kulta-aika. Vuonna 1834 ranskalainen kellovalmistaja ja luonnontieteilijä Jean-Charles Peltier asetti vesipisaran vismutti- ja antimonielektrodien väliin ja lähetti sitten sähkövirran piirin läpi. Hämmästyneenä hän näki, että tippa oli yhtäkkiä jäätynyt.

Sähkövirran lämpövaikutus johtimiin tiedettiin, mutta päinvastainen vaikutus muistutti taikuutta. Voit ymmärtää Peltierin tunteet: tämä ilmiö kahden fysiikan alueen - termodynamiikan ja sähkön - risteyksessä aiheuttaa tänään ihmeen.

Jäähdytysongelma ei ollut niin akuutti kuin nykyään. Siksi Peltier-ilmiöön puututtiin vasta melkein kahden vuosisadan jälkeen, kun ilmestyi elektronisia laitteita, joiden toimintaan tarvittiin miniatyyrijäähdytysjärjestelmiä. arvokkuus Peltier-jäähdytyselementit ovat pienet mitat, liikkuvien osien puuttuminen, kaskadiliitäntöjen mahdollisuus saada aikaan suuria lämpötilaeroja.

Lisäksi Peltier-vaikutus on palautuva: kun moduulin läpi kulkevan virran napaisuus muuttuu, jäähdytys korvataan lämmityksellä, joten on helppo toteuttaa tarkan lämpötilan ylläpitämisen järjestelmiä - termostaatteja. Peltier-elementtien (moduulien) haittana on alhainen hyötysuhde, joka vaatii suurten virta-arvojen summaamisen huomattavan lämpötilaeron saamiseksi. Monimutkaisuutta edustaa lämmön poisto jäähdytettyä tasoa vastapäätä olevalta levyltä.

Mutta ensin ensin. Yritämme ensin pohtia havaittuun ilmiöön vastuussa olevia fysikaalisia prosesseja. Rajoittamatta matemaattisten laskelmien syvyyteen, yritämme vain ymmärtää tämän mielenkiintoisen fyysisen ilmiön luonteen "sormessa".

Koska puhumme lämpötilailmiöistä, fyysikot korvaavat matemaattisen kuvauksen helpottamiseksi materiaalin atomihilan värähtelyt tietyllä kaasulla, joka koostuu hiukkasista, kuten fononeista.

Fononikaasun lämpötila riippuu ympäristön lämpötilasta ja metallin ominaisuuksista. Sitten mikä tahansa metalli on termodynaamisessa tasapainossa olevien elektroni- ja fononikaasujen seos.Kun kaksi eri metallia joutuvat kosketuksiin ulkoisen kentän puuttuessa, ”kuumempi” elektronikaasu tulee “kylmempän” vyöhykkeelle, jolloin syntyy kaikkien tuntema kosketuspotentiaaliero.

Sovellettaessa potentiaalieroa siirrokseen, ts. kun virta virtaa kahden metallin rajan läpi, elektronit ottavat energiaa yhden metallin fononeista ja siirtävät sen toisen fononikaasuun. Napaisuuden muuttuessa energiansiirto, mikä tarkoittaa, että lämmitys ja jäähdytys muuttuvat merkkinä.

Puolijohteissa elektronit ja ”reiät” vastaavat energian siirrosta, mutta lämmönsiirtomekanismi ja lämpötilaeron ulkoasu säilyvät. Lämpötilaero kasvaa, kunnes korkeaenergiset elektronit ovat ehtyneet. Lämpötilatasapaino asettuu. Tämä on moderni kuvauskuvauksesta Peltier-vaikutus.

Siitä on selvää, että Peltier-elementin suorituskyky riippuu materiaaliparin valinnasta, virran lujuudesta ja lämmön poiston nopeudesta kuumalta alueelta. Nykyaikaisten materiaalien (yleensä puolijohteiden) hyötysuhde on 5-8%.

Ja nyt Peltier-efektin käytännöllisestä soveltamisesta. Sen lisäämiseksi yksittäiset lämpöparit (kahden eri materiaalin liitokset) kootaan ryhmiin, joissa on kymmeniä ja satoja elementtejä. Tällaisten moduulien päätarkoitus on pienten esineiden tai mikropiirien jäähdytys.

Termoelektrinen jäähdytysmoduuli

Peltier-ilmiöön perustuvia moduuleja käytetään laajasti yönäkölaitteissa, joissa on infrapunavastaanottimien matriisi.Latauskytketyt mikropiirit (CCD), joita käytetään nykyään myös digitaalikameroissa, vaativat syväjäähdytystä kuvan tallentamiseksi infrapuna-alueelle. Peltier-moduulit viileävät infrapuna-ilmaisimia teleskoopeissa, aktiiviset laserelementit säteilytaajuuden vakauttamiseksi, kideoskillaattorit tarkkaan aikajärjestelmään. Mutta nämä kaikki ovat sotilaallisia ja erityisiä sovelluksia.

Viime aikoina Peltier-moduulit ovat löytäneet sovelluksen kotitaloustuotteisiin. Pääasiassa autoteollisuudessa: ilmastointilaitteet, kannettavat jääkaapit, vesijäähdyttimet.

Esimerkki Peltier-efektin käytännöllisestä käytöstä

Mielenkiintoisin ja lupaavin moduulien sovellus on tietotekniikka. Suorituskykyiset mikroprosessorit, prosessorit ja näytönohjainsirut lähettävät paljon lämpöä. Niiden jäähdyttämiseksi käytetään nopeita puhaltimia, jotka aiheuttavat merkittävää akustista melua. Peltier-moduulien käyttö osana yhdistettyjä jäähdytysjärjestelmiä poistaa melun merkittävästi lämmönpoistolla.

pienikokoinen USBjäähdytin Peltier-moduuleilla

Ja lopuksi looginen kysymys: korvaavatko Peltier-moduulit perinteiset jäähdytysjärjestelmät kotitalouskompressiojäähdyttimissä? Nykyään se ei ole kannattava tehokkuuden (alhainen hyötysuhde) ja hinnan suhteen. Tehokkaiden moduulien hinta on edelleen melko korkea.

Mutta tekniikka ja materiaalitiede eivät ole paikallaan. On mahdotonta sulkea pois mahdollisuutta, että ilmestyy uusia, halvempia materiaaleja, joilla on korkea hyötysuhde ja korkea Peltier-kerroin. Jo tänään on tutkimuslaboratorioiden raportteja nanokarbonaattimateriaalien uskomattomista ominaisuuksista, jotka voivat radikaalisti muuttaa tilannetta tehokkaiden jäähdytysjärjestelmien avulla.

Raporteissa todettiin korkeita termoelektrisiä ansioita ansioista - kiinteät liuokset, jotka ovat rakenteeltaan samanlaisia ​​kuin hydraatit. Kun nämä materiaalit tulevat ulos tutkimuslaboratorioista, täysin hiljaiset jäähdyttimet, joiden käyttöikä on rajoittamaton, korvaavat tavanomaiset kodimallimme.

Loppusanat yksioi eniten mielenkiintoinen piirteet termoelektrinen tekniikka onko se hän on voida ei vain käyttää sähköenergia saada lämpöä ja kylmää, mutta myös kiitos hänelle WMSmutta aloita käänteinen prosessi ja esimerkiksi hanki sähköä lämmöltä.  

Esimerkki kuinka voit saada sähköä lämmöltä kanssa käyttämällä termoelektristä moduulia (termoelektrinen generaattori) katso tätä video:

Mitä mieltä olet tästä? Odotan kommentteja!