Peltierov učinak: magični učinak električne struje

Početak 19. stoljeća. Zlatno doba fizike i elektrotehnike. Godine 1834. francuski satnik i prirodoslovac Jean-Charles Peltier stavio je kap vode između elektroda bizmuta i antimona, a zatim prošao električnu struju kroz krug. Na svoje čuđenje, vidio je da je kap iznenada zaledila.

Bio je poznat toplinski učinak električne struje na vodiče, ali suprotan učinak bio je sličan magiji. Možete razumjeti osjećaje Peltiera: ovaj fenomen na spoju dva različita područja fizike - termodinamike i električne energije, danas izaziva osjećaj čuda.

Problem hlađenja nije bio toliko akutan kao danas. Stoga se Peltierovom učinku pozabavio tek nakon gotovo dva stoljeća, kada su se pojavili elektronički uređaji, za rad kojih su potrebni minijaturni rashladni sustavi. dostojanstvo Peltier elementi za hlađenje su male dimenzije, odsutnost pokretnih dijelova, mogućnost kaskadnih priključaka za dobivanje velikih temperaturnih razlika.

Pored toga, Peltierov efekt je reverzibilan: kada se polaritet struje kroz modul promijeni, hlađenje se zamjenjuje grijanjem, tako da je lako implementirati sustave za točno održavanje temperature - termostate, Nedostatak Peltierovih elemenata (modula) je mala učinkovitost, koja zahtijeva zbrajanje velikih vrijednosti struje da bi se dobila primjetna temperaturna razlika. Složenost predstavlja uklanjanje topline s ploče suprotne hlađenoj ravnini.

Ali prvo stvari. Prvo pokušajmo razmotriti fizičke procese koji su odgovorni za promatrani fenomen. Ne uranjajući se u ponor matematičkih izračuna, samo ćemo pokušati razumjeti prirodu ovog zanimljivog fizičkog fenomena na "prstima".

Budući da govorimo o temperaturnim pojavama, fizičari zbog praktičnosti matematičkog opisa zamjenjuju vibracije atomske rešetke materijala nekim plinom koji se sastoji od, kako to čini, čestica - fonona.

Temperatura fononskog plina ovisi o temperaturi okoline i svojstvima metala. Tada je bilo koji metal mješavina elektrona i fononskih plinova u termodinamičkoj ravnoteži. Kada dva različita metala dođu u kontakt u nedostatku vanjskog polja, „topliji“ plin iz elektrona prodire u „hladniju“ zonu, stvarajući razliku kontaktnih potencijala svima.

Pri primjeni razlike potencijala na prijelaz, tj. dok struja teče preko granice dvaju metala, elektroni uzimaju energiju iz fonona jednog metala i prenose je u fononski plin drugog. S promjenom polarnosti, prijenos energije, što znači da zagrijavanje i hlađenje, mijenjaju znak.

U poluvodičima su za prijenos energije odgovorni elektroni i „rupe“, ali mehanizam prijenosa topline i pojava temperaturne razlike je sačuvan. Temperaturna razlika raste sve dok se ne potroše visokoenergetski elektroni. Temperatura ravnoteže postavljena je u. Ovo je moderna slika opisa Peltierov efekt.

Iz njega je jasno da Izvedba elemenata savijača ovisi o izboru para materijala, jačini struje i brzini oduzimanja topline iz vruće zone. Za moderne materijale (obično poluvodiče), učinkovitost je 5-8%.

A sada o praktičnoj primjeni Peltier efekta. Da bi se povećala, pojedinačni termoparovi (spojevi dva različita materijala) sastavljaju se u skupine koje se sastoje od desetaka i stotina elemenata. Glavna svrha takvih modula je hlađenje malih predmeta ili mikrocirkira.

Termoelektrični modul za hlađenje

Moduli utemeljeni na Peltierovom učinku naširoko se koriste u uređajima za noćno vidanje s matricom infracrvenih prijemnika.Mikrokruti vezani uz punjenje (CCD-ovi), koji se danas koriste i u digitalnim fotoaparatima, zahtijevaju duboko hlađenje za snimanje slika u infracrvenom području. Peltier-ovi moduli hlade infracrvene detektore u teleskopima, aktivne laserske elemente za stabilizaciju frekvencije zračenja, kristalni oscilatori u točnim vremenskim sustavima. Ali to su sve vojne i posebne aplikacije.

Nedavno su Peltier moduli pronašli primjenu u proizvodima za kućanstvo. Uglavnom u automobilskoj tehnologiji: klima uređaji, prijenosni hladnjaci, hladnjaci vode.

Primjer praktične upotrebe Peltierovog efekta

Najzanimljivija i najperspektivnija primjena modula je računalna tehnologija. Mikroprocesori, procesori i video kartice visokih performansi emitiraju mnogo topline. Za njihovo hlađenje koriste se brzi ventilatori, koji stvaraju značajan zvučni zvuk. Korištenje Peltier modula kao dijela kombiniranih rashladnih sustava uklanja buku uz značajno uklanjanje topline.

kompaktni USBhladnjak pomoću Peltier modula

I na kraju, logično pitanje: hoće li Peltier-ovi moduli zamijeniti konvencionalne rashladne sustave u kompresorskim hladnjacima za kućanstvo? Danas je to neisplativo u smislu učinkovitosti (niske učinkovitosti) i cijene. Trošak snažnih modula i dalje je prilično visok.

No tehnologija i znanost o materijalima ne stoje mirno. Nemoguće je isključiti mogućnost pojave novih, jeftinijih materijala s visokom učinkovitošću i visokim Peltierovim koeficijentom. Već danas postoje izvješća istraživačkih laboratorija o nevjerojatnim svojstvima materijala od nanokarbona koji mogu korjenito promijeniti situaciju s učinkovitim rashladnim sustavima.

Objavljena su izvješća o visokoj termoelektričnoj vrijednosti klastrata - krutih otopina sličnih struktura po hidratama. Kada ti materijali napuste istraživačke laboratorije, potpuno tihi hladnjaci s neograničenim vijekom trajanja zamijenit će naše uobičajene modele kuće.

P.s. jedanoh od najviše zanimljivo značajke termoelektrična tehnologija je li to ona je može ne samo koristiti električna energija da biste dobili toplinu i hladnoću, ali i zahvaljujući njoj WMSali započnite obrnuti postupak i, na primjer, dobivate električnu energiju iz topline.  

Primjer kako možete dobiti struju iz topline s pomoću termoelektričnog modula (termoelektrični generator) pogledaj ovo Video:

Što mislite o ovome? Čekamo vaše komentare!