Что такое элемент пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение. Полупроводниковые холодильники пельтье Полупроводниковый холодильник на эффекте пельтье

Определение 1

Статья о температурных аномалиях, которые наблюдаются на границах двух разных проводников, когда по ним течет электрический ток, была опубликована Пельтье в 1834 г. Сам Пельтье в сущности явления не разобрался, его разъяснил Ленц в 1838 г. Ленц проводил следующий опыт. В выемку на стыке стержней висмута и сурьмы он помещал каплю воды. Если ток пропускался в одном направлении, вода замерзала, в ток шел в противоположном направлении полученный лед таял. Так было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, кроме джоулева тепла выделяется или поглощается (это зависит от направления тока) дополнительная теплота. Эта теплота получила название - теплота Пельтье. Процесс выделения (поглощения) дополнительной теплоты в контакте двух проводников -- носит название «явление Пельтье» . Теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока, изменяет знак при изменении направления тока. Эмпирически получено, что теплоту Пельтье ($Q_P$) можно выразить с помощью формулы:

где $q$ -- заряд, $П$ -- коэффициент Пельтье, который зависит от контактирующих материалов и их температуры. $Q_P>0$, если она выделяется.

Объяснение эффекта Пельтье в классической теории

Классическая электронная теория проводимости трактовала явление Пельтье так: электроны, которые переносятся током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под воздействием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В одном случае кинетическая энергия электронов растет, а затем выделяется как теплота. В другом случае, кинетическая энергия уменьшается, и это уменьшение пополняется за счет тепловых колебаний атомов, в результате чего происходит охлаждение.

Следовало бы ожидать, что коэффициент эффекта Пельтье будет равен контактной разности потенциалов, но это не так. В соответствии с классической теорией средняя кинетическая энергия теплового движения электронов в контактирующих металлах считается одинаковой, а это не так. Дело в том, что положения уровней Ферми в разных металлах различно. Классическая теория учитывает только разницу потенциальных энергий по разные стороны границы раздела металлов, при этом считает, что кинетические энергии электронов одинаковы. Однако следует учесть изменение полной энергии электрона его при переносе из одного металла в другой.

Для большинства пар проводников коэффициент Пельтье имеет значение порядка ${10}^{-2}-\ {10}^{-3}В$ (вольт).

Эффект Пельтье для полупроводников

Эффект Пельтье, как в прочем все термоэлектронные явления, особенно сильно проявляется в цепях из электронных и дырочных полупроводников.

Допустим, что имеется контакт дырочного полупроводника и электронного, причем ток идет от дырочного проводника к электронному. В таком случае дырки в дырочном полупроводнике и электроны в электронном полупроводнике станут двигаться навстречу друг другу. Электроны, из свободных зон электронного полупроводника пройдя границу раздела, попадают в заполненную зону дырочного полупроводника и там аннигилируется с дыркой. Как следствие такой рекомбинации высвобождается энергия, которая выделяется в виде тепла в контакте полупроводников.

Рассмотрим случай, когда ток идет от электронного полупроводника к дырочному. В этом случае, электроны в электронном полупроводнике и дырки в дырочном полупроводнике движутся в противоположные стороны. Дырки, перемещающиеся от границы раздела полупроводников, пополняются в результате образования новых пар при переходе электронов из заполненной зоны дырочного полупроводника в свободную зону. На образование подобных пар необходима энергия, которая предоставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Под воздействием электрического поля возникающие электроны и дырки движутся в противоположные стороны. Непрерывное рождение новых пар идет пока ток течет через контакт. В результате этого процесса теплота поглощается.

Примечание 1

Явление Пельтье в полупроводниках используют в охлаждающих устройствах.

Тепло Джоуля - Ленца и тепло Пельтье

Надо отметить, что между явлением Пельтье и выделением тепла Джоуля -- Ленца есть существенные различия. Количество теплоты, которая выделяется в соответствии с законом Джоуля -- Ленца ($Q\sim I^2$) не зависит от направления тока. Теплота, которая выделяется (или поглощается) в результате эффекта Пельтье пропорциональна первой степени силы тока ($Q_P\sim I$) и изменяет знак при смене направления тока. Кроме того, тепло Джоуля - Ленца зависит от сопротивления проводника, теплота Пельтье от него не зависит.

Обычно, теплота Пельтье существенно меньше, чем тепло Джоуля -- Ленца. Для того, чтобы выявить эффект именно от явления Пельтье следует как можно сильнее уменьшить тепло Джоуля - Ленца, применяя толстые проводники с минимальным сопротивлением.

Пример 1

Количество электронов (N), которое проходит через единичную площадку, перпендикулярную к направлению тока, за $1 с$ равно:

где $j$ -- плотность тока, $q_e\ $-- заряд электрона.

Энергия электрона равна сумме его кинетической ($E_k$) и потенциальной энергий ($E_p=-q_e\varphi $). Если через $\left\langle E_k\right\rangle $ обозначить среднюю энергию для N электронов, то поток энергии ($P$) равен:

где $\left\langle E_k\right\rangle \ne \frac{3}{2}$ kT-- не равно средней кинетической энергии равновесного электронного газа, что объяснимо тем, что в случае вырожденного газа не все электроны могут ускоряться электрическим полем.

Рассмотрим проводники 1 и 2 при одинаковой температуре. К каждой единице поверхности контакта в проводнике 1 подводится в единицу времени энергия $P_1$, а отводится в проводнике 2 энергия равная $P_2$. Значения потенциалов с обеих сторон контактной плоскости равны ${\varphi }_1$ и ${\varphi }_2$. Причем ${\varphi }_1$ $\ne $ ${\varphi }_2$. Кроме того в общем случае, имеем, что:

\[\left\langle E_{k1}\right\rangle \ne \left\langle E_{k2}\right\rangle \left(1.3\right).\]

Для поддержания температуры контакта без изменений с каждой единицы поверхности в единицу времени нужно отводить (или подводить) энергию, равную $P_1-P_2.\ $Из выражения (1.3) следует, что:

Это означает, что выделяется (или поглощается) тепло Пельтье ($Q_p$). В том случае, если $S$ -- площадь контактирующих поверхностей, то тепло Пельтье равно:

\It\left(1.5\right),\]

где $I=jS$ -- сила тока. Мы знаем, что теплоту Пельтье выражают как:

Или для нашего случая из выражения (1.7) можно записать:

Сравним выражение (1.7) и формулу (1.5), получим для коэффициента Пельтье выражение:

\[П_{12}=\frac{1}{q_e}\left[\left(\left\langle E_{k2}\right\rangle -\left\langle E_{k1}\right\rangle \right)-q_e\left({\varphi }_1-\ {\varphi }_2\right)\right]\left(1.8\right).\]

Так как нас интересует тепло в контакте, и мы не рассматриваем тепло Джоуля -- Ленца в объеме, то в формуле (1.5) следует под $P_1\ и\ P_2$ понимать их значения у самой плоскости контактов. Значит выражение ${\varphi }_1-\ {\varphi }_2=U_{i12}$ - контактный скачок потенциала.

Если электронный газ в проводниках является невырожденным, то ускоряются полем все электроны. Распределение импульсов описывается законом Максвелла, и оно зависит только от температуры, тогда $\left\langle E_{k2}\right\rangle =\left\langle E_{k1}\right\rangle $, следовательно:

\[П_{12}=ц_1-\ ц_2=U_{i12}.\ \]

В таком случае, коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала, при этом тепло Пельтье равно работе, которую совершает ток из-за перепада напряжений.

Что и требовалось показать.

Пример 2

Задание: Чему равен коэффициент Пельтье при температуре T=0 K (случай сильно вырожденного электронного газа)?

В состоянии сильного вырождения (T=0 K) все квантовые состояния в зоне проводимости с энергией, которая меньше уровня Ферми полностью заняты электронами. При этом ускоряться полем могут только электроны, которые имею энергии равную энергии Ферми (в первом приближении энергию Ферми примем равной химическому потенциалу $\mu $). Поэтому в формуле для коэффициента Пельтье, которую мы получили в предыдущем примере:

\[П_{12}=\frac{1}{q_e}\left[\left(\left\langle E_{k2}\right\rangle -\left\langle E_{k1}\right\rangle \right)-q_e\left({\varphi }_1-\ {\varphi }_2\right)\right]\left(2.1\right)\]

под $\left\langle E_{k2}\right\rangle \ и\ \left\langle E_{k1}\right\rangle $ надо понимать максимальные кинетические энергии электронов и принять, что:

\[\left\langle E_{k2}\right\rangle ={\mu }_2,\ \left\langle E_{k1}\right\rangle {=\mu }_1\left(2.2\right).\]

С другой стороны мы знаем, что:

Подставим выражения (2.3) и (2.2)

в формулу (2.1), получим:

\[П_{12}=\frac{1}{q_e}\left[\left(м_2-м_1\right)-\left(м_1-м_2\right)\right]=0.\]

Ответ: При $T$=0 $K$, $П_{12}=0\ В.$

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“Курский Государственный Университет”

Физико-математический факультет

Кафедра нанотехнологии

Курсовая работа

На тему: «Эффект Пельтье»

Выполнила: студентка 3 курса 36 группы Какурина О.А.

Проверил: доцент Челышев С.Ю.

Введение……………………………………………………………..3

1. История открытия эффекта……..………………………………………4

2. Теоретическое обоснование.……………………………………………6

3. Технические реализации эффекта……………………………...............12

4. Области применения…………………………………………………….19

Выводы……………………………………………………………....21

Список используемой литературы……………………………..…..23

Введение

Данная работа посвящена изучениютермоэлектрического явления, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохожденииэлектрического тока в местеконтакта (спая) двух разнородныхпроводников– эффекту Пельтье. В ней представлена история открытия данного явления, описывается его теоретическое обоснование, рассматриваются технические реализации эффекта, приводятся достоинства и недостатки элементов Пельтье.

Открытия термоэлектрических явлений, в частности и эффекта Пельтье, положили основу развитию самостоятельной области техники – термоэнергетики, которая занимается как вопросами прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, так и вопросами термоэлектрического охлаждения и нагрева. История открытия термоэлектрических явлений насчитывает уже более 180 лет. Практическое использование они получили только в середине XX века, то есть спустя 130 лет после открытия. В настоящее время явление Пельтье имеет широкое практическое применение. Например, оно используется для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, чтобы стабилизировать длину волны излучения; в термостатах; в оптической аппаратуре; для управления процессом кристаллизации; в качестве подогрева в целях отопления. Широко распространено в компьютерной технике; в радиоэлектрических устройствах; в медицинском и фармацевтическом оборудовании; в бытовой технике; в климатическом оборудовании; для охлаждения напитков; в лабораторных и научных приборах; в ледогенераторах; в кондиционерах; для получения электроэнергии; в электронных счетчиках расхода воды.

Цель данной работы заключается в ознакомлении с историей открытия эффекта Пельтье, в исследовании его физических основ, в изучении элементов, основанных на этом явлении, в разработке технических реализаций эффекта и в систематизации приобретённых знаний.

1. История открытия.

Череда научных открытий в «великое десятилетие» начала девятнадцатого века заложила предпосылки для овладения термоэлектричеством, безусловно, перспективнейшим направлением энергетики будущего. Научные направления в этой области постоянно развиваются, и российские ученые находятся в центре этих исследований.

История открытия термоэлектрических явлений насчитывает уже более 180 лет. Практическое использование они получили только в середине XX века, то есть спустя 130 лет после открытия и в первую очередь благодаря работам советского академика А.Ф. Иоффе. Начало же положил немецкий ученый Зеебек Томас Иоганн (1770 - 1831). В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье ">

Через 12 лет (1834 г.) после открытия Зеебека был открыт "эффект Пельтье". Этот эффект является обратным "эффекту Зеебека". Открыл это явление французский физик, метеоролог Пельтье Жан Шарль Атаназ (Рис.1). Увлечение физикой было его хобби. Ранее он работал часовщиком фирмы А.Л. Бреге, но благодаря полученному в 1815 году наследству, Пельтье смог посвятить себя экспериментам в области физики и наблюдению за метеорологическими явлениями. Как и Зеебек, Пельтье не смог правильно интерпретировать результаты своего исследования. По его убеждению полученные результаты служили иллюстрацией того, что при пропускании через цепь слабых токов универсальный закон Джоуля – Ленца о выделении тепла протекающим током не работает. Только в 1838 году петербургский академик Ленц Эмилий Христианович (1804-1865) доказал, что "эффект Пельтье" является самостоятельным физическим явлением, заключающимся в выделении и поглощении на спаях цепи добавочного тепла при прохождении постоянного тока. При этом характер процесса (поглощение или выделение) зависит от направления тока. В своём опыте Ленц экспериментировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока – таяла. Тем самым было установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом – поглощается. Двадцать лет спустя Уильям Томсон (впоследствии – лорд Кельвин) дал исчерпывающее объяснение эффектам Зеебека и Пельтье и взаимосвязи между ними. Полученные Томсоном термодинамические соотношения позволили ему предсказать третий термоэлектрический эффект, названный впоследствии его именем .

Рис. 1. Пельтье Жан Шарль Атаназ (1785 - 1845)

Данные открытия положили основу развития самостоятельной области техники – термоэнергетики, которая занимается как вопросами прямого преобразования тепловой энергии в электрическую (эффект Зеебека), так и вопросами термоэлектрического охлаждения и нагрева (эффект Пельтье). В начале 19 века немецкий инженер Альтенкирх развил эту теорию и ввел понятия холодильного коэффициента и Z-эффективности, показав, что эффект Пельтье на металлических спаях, ввиду достижимой разницы температур всего в несколько градусов, не пригоден для практического применения. И только спустя несколько десятков лет, прежде всего усилиями академика А. Иоффе и разработанной им теории твердых растворов, были теоретически и практически получены результаты, давшие импульс широкому практическому применению эффекта Пельтье.

2. Теоретическое обоснование.

Эффектом Пельтье называетсятермоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохожденииэлектрического тока в местеконтакта (спая) двух разнородныхпроводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления исилы протекающего электрического тока .

В отличие от тепла Джоуля – Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q = R·I2·t), тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

Qп = П · q (1)

где q – заряд прошедший через контакт (q = I · t), П – так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.

Величина выделяемого тепла Qп и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его прохождения:

dQп = П12· I· dt (2)

Здесь П12 = П1 – П2 – коэффициент Пельтье для данного контакта, связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье П1 и П2 контактирующих материалов. При этом считается, что ток идет от первого образца ко второму. При выделении тепла Пельтье имеем: QП > 0, П12 > 0, П1 > П2. При поглощении тепла Пельтье оно считается отрицательным и соответственно: QП < 0, П12 < 0, П1 < П2. Очевидно, что П12 = – П21.

Размерность коэффициента Пельтье:

[П] СИ = Дж / Кл = В.

Вместо тепла Пельтье часто используют физическую величину, определяемую как тепловая энергия, ежесекундно выделяющаяся на контакте единичной площади. Эта величина, получившая название – мощность тепловыделения, определяется формулой:

q · P = П12 · j , (3)

где j = I / S – плотность тока; S – площадь контакта.

Размерность этой величины:

СИ = Вт / м2.

Рис. 2. Схема опыта для измерения тепла Пельтье

(Cu – медь, Bi – висмут).

В представленной схеме опыта (Рис. 2) измерения тепла Пельтье при одинаковом сопротивлении проводов R (Cu+Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а именно по Q = R·I2·t. Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно. В соответствии с данной схемой можно измерить тепло Пельтье и вычислить значения коэффициентов Пельтье для разных пар проводников. Коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов

Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется через коэффициент Томсона:

П = a · T , (4)

где П – коэффициент Пельтье, a – коэффициент Томсона, T – абсолютная температура.

Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.

Итак, суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов .

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного метала в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.

На Рис. 3 и Рис. 4 изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами А и В.

Рис. 3. Выделение тепла Пельтье (контакт А)

Рис. 4. Поглощение тепла Пельтье (контакт А)

Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви –термоэлектродами. Через цепь течет ток I, созданный внешним источником Е. Рис. 3 иллюстрирует ситуацию, когда на контакте А (ток течет от ПП1 к ПП2) происходит выделение тепла Пельтье Qп (А) > 0, а на контакте В (ток направлен от ПП2 к ПП1) его поглощение – Qп (В) < 0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА > ТВ. На Рис. 4 изменение знака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте А и от ПП1 к ПП2 на контакте В. Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурами контактов: Qп (А) < 0, ТА < ТВ .

Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из полупроводников с электронной (n-тип) и дырочной (р-тип) проводимостью. Такие полупроводники называются, соответственно, полупроводниками с n- и р-типом проводимости или просто полупроводниками n- и р-типа. Рассмотрим ситуацию, когда ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному. При этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла. Эта ситуация рассмотрена на рис. 5, где изображены энергетические зоны (Еc – зона проводимости, Еv – валентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью .

Рис. 5. Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников р- и n - типа

На рис. 6 (Еc – зона проводимости, Еv – валентная зона) иллюстрируется поглощение тепла Пельтье для случая, когда ток идет от n- к р - полупроводнику.

Рис. 6. Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников р- и n-типа

Здесь электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться. Полупроводники p- и n-типа проводимости используются в термоэлектрических холодильниках (Рис. 7).

Рис. 7. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических холодильниках.

3. Технические реализации эффекта.

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы – модули Пельтье сравнительно большой мощности.

Модуль Пельтье (элемент Пельтье) – это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье.

Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 8.

Рис. 8. Структура модуля Пельтье.

Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников р- и п-типа, образующих р-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рис. 9 представлен внешний вид типового модуля Пельтье.

Рис. 9. Внешний вид модуля Пельтье.

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор – холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. На рис. 10 представлен пример каскадного включения типовых модулей Пельтье.

Рис. 10. Пример каскадного включения модулей Пельтье

Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными холодильниками Пельтье или просто кулерами Пельтье (Рис. 11). Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными по сравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.

Рис. 11. Внешний вид кулера с модулем Пельтье

Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства – это эффективность охлаждения:

Z = a2 / (r · l), (5)

где a – коэффициент термоэдс; r – удельное сопротивление; l – удельная теплопроводность полупроводника.

Параметр Z – функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Введение в полупроводник тех или иных примесей – основное доступное средство изменять его показатели (a, r, l) в желательную сторону. Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20оС до 200оС; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт .

Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей. И, как это отмечалось выше, для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное использование, что позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния. Также модуль является обратимым, т.е. при смене полярности постоянного тока горячая и холодная пластины меняются местами.

Однако кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладает и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. К важнейшим характеристикам относятся следующие особенности эксплуатации:

Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей. Термоэлектрические модули отличаются относительно низким коэффициентом полезного действия (кпд) и, выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла. Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создает трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и остальным компонентам компьютера. Также модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания. С учетом значения тока потребления модулей Пельтье величина мощности блока питания компьютера должна быть не менее 250 Вт. Все это приводит к целесообразности выбора материнских плат и корпусов конструктива ATX с блоками питания достаточной мощности. Использование данного конструктива облегчает для комплектующих компьютера организацию оптимальных теплового и электрического режимов.

Модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева.

Низкие температуры, возникающие в процессе работы холодильников Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Для исключения данной опасности целесообразно использовать холодильники Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера.

Кроме указанных особенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемых для охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров мощных компьютеров.

Архитектура современных процессоров (Рис. 12) и некоторые системные программы предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Это позволяет оптимизировать их энергопотребление. В обычных условиях оптимизация работы процессора и его энергопотребления благотворно сказывается как на тепловом режиме самого процессора, так и общем тепловом балансе. Однако следует отметить, что режимы с периодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующих модули Пельтье. Это связано с тем, что существующие холодильники Пельтье, как правило, рассчитаны на непрерывную работу.

Рис. 12. Процессор с модулем Пельтье

Некоторые проблемы могут возникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, тех, которые осуществляют управление вентиляторами кулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора в некоторых компьютерных системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов через встроенные аппаратные средства материнской платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора компьютера. Однако в случае использования простейших холодильников Пельтье уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье, который кроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источником дополнительного тепла.

Необходимо отметить, что, как и в случае центральных процессоров компьютеров, холодильники Пельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждения видеочипсетов, используемых в составе современных высокопроизводительных видеоадаптеров. Работа таких видеочипсетов сопровождается значительным тепловыделением и обычно не подвержена резким изменениям режимов их функционирования.

Для того чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающих конденсацию влаги из воздуха и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, таких как процессоры компьютеров, следует отказаться от использования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако как альтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающие интеллектуальные средства управления холодильниками Пельтье. Такие средства могут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров.

Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.

4. Области применения.

Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры. Термоэлектрические модули (ТЭМ) применяются в устройствах охлаждения радиоэлектронных компонентов и различных устройствах термостатирования ввиду легкости прецизионного электронного регулирования температуры как для нагрева, так и для охлаждения.

Максимальная холодопроизводительность ТЭМ получается при определенном значении тока, который при заданном значении напряжения питания показывается как Imax. Нестационарный режим питания импульсами тока, в несколько раз превышающими Imax, на некоторое время позволит получить холодопроизводительность, намного превышающую паспортную. Это объясняется тем, что сам эффект Пельтье безынерционен, в отличие от распространения теплоты джоуля и явления теплопроводности, и, в течение нескольких секунд, этим можно воспользоваться. Впрочем, нестационарные режимы широкого применения не получили.

Ввиду обратимости термоэлектрических эффектов, ТЭМ может использоваться и в качестве термоэлектрических генераторов (ТЭГ). Вдали от удобств цивилизации это может быть один из немногих доступных источников электрической энергии, например, для подзарядки аккумуляторов или прямого питания радиоэлектронной аппаратуры или других устройств. Достаточно широко используются устройства, в которых разница температур создается между наружной металлической оболочкой, нагреваемой открытым огнем (костром), и внутренней оболочкой, охлаждаемой водой. «Холодная» сторона будет ограничена температурой кипения воды, поэтому такой ТЭМ должен быть рассчитан на рабочую температуру 500 – 600°К. Следует иметь в виду, что тепловой баланс для ТЭГ качественно отличается от ТЭМ на основе эффекта Пельтье, и этот эффект (вместе с теплотой Джоуля) вносит всего несколько процентов в общий вклад, что требует совершенно других акцентов при конструировании ТЭГ. ТЭГ широко применяются в космической технике, где температура «горячей» стороны поддерживается радиоизотопным источником. Вживляемые в тело человека кардиостимуляторы также снабжены ТЭГ с радиоизотопным источником для создания разности температур.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения. В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 - 40 К ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей.

Заключение

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками. В ходе эксперимента обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое – остывает. Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснён в 1838 году Ленцем. В своём опыте Ленц экспериментировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока – таяла. Тем самым было установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом – поглощается. Данное явление было названо эффектом Пельтье.

Эффект Пельтье – этотермоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохожденииэлектрического тока в местеконтакта (спая) двух разнородныхпроводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления исилы протекающего электрического тока.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контактной разностью потенциалов между металлами. В случае ускорения кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случае кинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергии тепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом, он начинает охлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.

На основе эффекта Пельтье созданы модули (элементы) Пельтье. Они состоят из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов, которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n- > p), а снизу противоположные (p- > n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются - или наоборот. Таким образом, электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах. В настоящее время проводятся эксперименты по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение споcобствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.Таким образом, открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.

Список используемой литературы

1. Физическая энциклопедия. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.– Т.5. – С. 98 – 99, 125.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10. т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. – 4-е изд., стереот.–М.: Физматлит, 2003. – 656 с.

3. Марипов А. Физические основы электроники. – Б.: Полиграфбумресурсы, 2010. – 252 с.

4. Сивухин С.Д. Общий курс физики. – М.: Наука, 1977. – Т.3. Электричество. – С. 490 – 494.

5. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. – М.: Сов. радио, 1967. – С.75 – 83, 292 – 311.

6. Наркевич, И. И. Физика для ВТУЗов / И. И. Наркевич, Э. И. Волмянский, С. И. Лобко. - Минск: Новое знание, 2004. – 680 с.

7.Иоффе. А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы– М.; Л. : Изд-во АН СССР, 1960 . – с.188

Предлагаю посмотреть два небольших видеоролика.
Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.
Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.

Ролик 1

Ролик 2

В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.

Это физическое явление было открыто в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье , часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя - эффект Пельтье. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.
Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.

Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.
Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.

Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека , более известному как термоэлектрический эффект.

Эффект Пельтье обратим. Это мы видим на ролике 2. Если сменить полярность, то контакт, который был до этого горячим станет холодным и наоборот.

Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К. Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов - полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь. При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться. Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70...75 К.
Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением термоэлементов.
Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.
Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи .

Батарея Пельтье

Преимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:
- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;
- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);
- небольшие размеры;
- возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.

Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:
- малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;
- низкая холодпроизводительность;
- высокая стоимость.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами - хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.

НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.
Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.

Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC - это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.

Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.

Пельтье эффект Пельтье́ эффе́кт

выделение или поглощение теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников. Количество теплоты пропорционально силе тока. Используется в холодильных установках. Открыт в 1834 Ж. Пельтье.

ПЕЛЬТЬЕ ЭФФЕКТ

ПЕЛЬТЬЕ́ ЭФФЕ́КТ, для термоэлектрических явлений (см. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ) , заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух разных проводников. Эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека (см. ЗЕЕБЕКА ЭФФЕКТ) .
Открыт в 1834 г. Ж. Пельтье (см. ПЕЛЬТЬЕ Жан Шарль Атаназ) , который обнаружил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. В 1838 г. Э. Х. Ленц (см. ЛЕНЦ Эмилий Христианович) показал, что при достаточно большой силе тока можно либо заморозить, либо довести до кипения каплю воды, нанесенную на спай, изменяя направление тока.
Сущность эффекта Пельтье состоит в том, что при прохождении электрического тока через контакт двух металлов или полупроводников в области их контакта в дополнение к обычному джоулеву теплу выделяется или поглощается дополнительное количество тепла, называемого теплом Пельтье Q п. В отличие от джоулева тепла, которое пропорционально квадрату силы тока, величина Q п пропорциональна первой степени тока.
Q п = П. I . t.
t - время прохождения тока,
I - сила тока.
П - коэффициент Пельтье, коэффициент пропорциональности, зависящий от природы материалов, образующих контакт. Теоретические представления позволяют выразить коэффициент Пельтье через микроскопические характеристики электронов проводимости.
Коэффициент Пельтье П = Т Da, где Т - абсолютная температура, а Da - разность термоэлектрических коэффициентов проводников. От направления тока зависит, выделяется или поглощается тепло Пельтье.
Причина возникновения эффекта заключается в том, что в случае контакта металлов или полупроводников на границе возникает внутренняя контактная разность потенциалов. Это приводит к тому, что потенциальная энергия носителей по обе стороны контакта становится различной, так как средняя энергия носителей тока зависит от их энергетического спектра, концентрации и механизмов их рассеяния и различна в разных проводниках. Так как средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, в разных проводниках различается, в процессе соударений с ионами решетки носители отдают избыток кинетической энергии решетке, и тепло выделяется. Если при переходе через контакт потенциальная энергия носителей уменьшается, то увеличивается их кинетическая энергия и электроны, сталкиваясь с ионами решетки, увеличивают свою энергия до среднего значения, при этом тепло Пельтье поглощается. Таким образом, при переходе электронов через контакт электроны либо передают избыточную энергия атомам, либо пополняют ее за их счет.
При переходе электронов из полупроводника в металл энергия электронов проводимости полупроводника значительно выше уровня Ферми (см. Ферми энергия (см. ФЕРМИ-ЭНЕРГИЯ) ) металла, и электроны отдают свою избыточную энергию. Эффект Пельтье особенно велик у полупроводников, что используется для создания охлаждающих и обогревающих полупроводниковых приборов, в том числе для создания микрохолодильников в холодильных установках.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "Пельтье эффект" в других словарях:

Выделение или поглощение теплоты при прохождении электрич. тока I через контакт двух разл. проводников. Выделение теплоты сменяется поглощением при изменении направления тока. Открыт франц. физиком Ж. Пельтье (J. Peltier) в 1834. Кол во теплоты… … Физическая энциклопедия

Эффект Пельтье процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения… … Википедия

Выделение или поглощение теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников. Количество теплоты пропорционально силе тока. Используется в холодильных установках. Открыт в 1834 Ж. Пельтье … Большой Энциклопедический словарь

Выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух различных проводников. Выделение тепла сменяется поглощением при изменении направления тока. Открыт Ж. Пельтье в 1834. Количество выделенного или … Большая советская энциклопедия

Эффект Пельтье термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида … Википедия

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников.

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Оба этих эффекта открыты в XIX веке: Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. Т. И. Зеебеком открыл одноименный эффект в 1821. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук

Меня заинтересовала эта тема потому, что элементы, придуманные в далёком в XIX веке, до сих пор эффективно используются в современных устройствах. Несмотря на то, что в каждом конкретном случае подбирается элемент с нужными параметрами, теория и источники говорят о том, что элементы взаимозаменяемы. Так это или нет, мы планируем проверить в своём исследовании.

Постановка проблемы:

Оба эффекта (эффект Пельтье и эффект Зеебека) имеют широкое применение в современной технике, а принцип работы элементов, созданных на их основе доступен для понимания в рамках изучения школьного курса физики. Между тем, эти эффекты не упоминаются в школьном курсе физики. Данная работа, кроме прикладного значения, имеет и важный методологический аспект, связанный с включением в школьный курс описания различных достижений науки.

Гипотеза исследования: существуют различия при использовании прямого и обратного эффектов Пельтье и Зеебека.

Цель исследования: выявление отличительных особенностей эффектаПельтье и эффекта Зеебека при их использовании в прямом и обратном направлении.

Задачи исследования:

Изучить историю открытия эффекта Пельтье и эффекта Зеебека.

Изучить особенности прямого и обратного эффекта Пельтье, прямого и обратного эффекта Зеебека.

Создать установку для проведения эксперимента.

Провести серию экспериментов по проверке гипотезы.

Провести анализ результатов эксперимента и сделать вывод о том подтвердилась гипотеза или нет.

Объект исследования: элемент Пельтье и элемент Зеебека.

Предмет исследования: особенности прямого и обратного эффекта эффекта Пельтье и прямого и обратного эффекта Зеебека.

Методы исследования

В исследовании применялись следующие методы:

1. Теоретические:

Анализ источников информации по истории открытия рассматриваемых в работе эффектов Пельтье и Зеебека,

Анализ сведений о принципе действия элементов Пельтье и Зеебека,

Анализ полученных экспериментальных данных.

Неполная индукция: формулировка вывода на основе данных, не охватывающих всех аспектов и возможных комбинаций характеристик исследуемых объектов.

2. Эмпирические:

Проведение серии экспериментов с целью проверки гипотезы.

Данное исследование относится к прикладным. Результаты исследования дадут ответ об эффективности возможности взаимозаменяемости элементов Пельтье и Зеебека.

Анализ источников

При описании исследуемы эффектов все источники упоминают что существует «эффект Пельтье и его обратный эффект, так называемый, эффект Зеебека» , при этом об обратном эффекте Зеебека не упоминается. В ходе этой работы, кроме обнаружения прямого и обратного эффектов Пельте и сравнения обратного эффекта Пельтье с прямым эффектом Зеебкека, мы проверим существование обратного эффекта Зеебека.

Об актуальности исследуемого вопроса говорит, то внимание, которое уделяют изучению этих эффектов зарубежные учебники . В них даётся не только описание рассматриваемых эффектов, но и их объяснение, а так же рассказывается об их применении.

Сайт российского производителя учебного оборудования ООО «3Б Сайнтифик» предлагает лабораторную установку «Эффект Зеебека» стоимостью 229 873,00 руб. , к которой прилагается методическая разработка. После её изучения мы пришли к выводу, что подобный эксперимент можно провести на оборудовании, не требующего столь высоких затрат.

Основная часть Эффект Пельте

Эфеект Пельтье - термоэлектрическое явление переноса энергии при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников, от одного проводника к другому. Также является обратным эффектом эффекта Зеебека, но при этом может выполнять и его функции .

При нагревании одной стороны и охлаждении другой стороны данный элемент может выделять электричество. И также данный элемент имеет и обратный эффект, то есть, при подключению этого элемента к электричеству одна сторона будет охлаждаться, а другая нагреваться.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека- явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах .

Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Особенности элементов Пельтье и Зеебека

Главной особеностью данных элементов является то, что элемент Пельтье имеет обратный эффект, а вот элемент Зеебека не имеет. И это не смотря на то что обратным эффектом элемента Пельтье является эффект элемента Зеебека.

В результате широкое применение в различных областях получил эффект Зеебека.

Элемент Пельтье является полной противоположностью устройствам, созданным на основе эффекта Зеебека. В данном случае, наоборот, под действием электрического тока образуется разница температур на рабочих площадках конструкции. Таким образом, с помощью электрического тока осуществляется перенос тепла с одной термопары на другую. При изменении направления тока нагреваемая сторона будет принимать противоположное состояние.

Данный эффект происходит в двух разнородных проводниках с одинаковой проводимостью. В каждом из них электроны обладают разным значением энергии и расположены они на очень близком расстоянии между собой. В результате произойдет перенос зарядов из одной среды в другую, и электроны с более высокой энергией на фоне низких уровней, отдадут излишки кристаллической решетке, вызывая нагрев. При недостатке энергии она, наоборот, передается от кристаллической решетки, приводя к охлаждению спая.

Применение эффекта Пельтье и эффекта Зеебека

Изучаемые эффекты применяются для создания термодатчиков, термоэлектрогенераторов, а также используются в комьютерах для улучшения охлаждения процесора.

В настоящее время эффект Зеебека применяется в интегрированных датчиках, в которых соответствующие пары материалов наносятся на поверхность полупроводниковых подложек. Примером таких датчиков является термоэлемент для обнаружения тепловых излучений. Поскольку кремний обладает достаточно большим коэффициентом Зеебека, на его основе изготавливаются высокочувствительные термоэлектрические детекторы.

Одно из значимых ограничений, возникающих при использовании термоэлектрического преобразователя, заключается в низком коэффициенте эффективности - 3-8%. Но если нет возможности для проведения стандартных линий электропередач, а нагрузки на сеть предполагаются небольшие, тогда применение термоэлектрических генераторов вполне оправдано. На самом деле, устройства, работающие на эффекте Зеебека, могут применяться в самых различных сферах:

1. Энергообеспечение космической техники;

2. Питание газо- и нефте- оборудования;

3. Бытовые генераторы;

4. Системы морской навигации;

5. Отопительные системы;

6. Эксплуатация отводимого автомобильного тепла;

7. Преобразователи солнечной энергии;

8. Преобразователи тепла, вырабатываемого природными источниками (например, геотермальными водами).

Эффект Пельтье используется в двух ситуациях: когда надо либо подвести тепло к месту соединения материалов, либо отвести его, что осуществляется изменением направления тока. Это свойство нашло свое применение в устройствах, где требуется осуществлять прецизионный контроль за температурой. Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.

Кроме того элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются:

1. Для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, чтобы стабилизировать длину волны излучения;

2. В компьютерной технике;

3. В радиоэлектрических устройствах;

4. В медицинском и фармацевтическом оборудовании;

5. В бытовой технике;

6. В климатическом оборудовании;

7. В термостатах;

8. В оптической аппаратуре;

9. Для управления процессом кристаллизации;

10. Как подогрев в целях отопления;

11. Для охлаждения напитков;

12. В лабораторных и научных приборах;

13. В ледогенераторах;

14. В кондиционерах;

15. Для получения электроэнергии;

16. В электронных счетчиках расхода воды.

Конечно, охлаждающие устройства Пельтье вряд ли подходят для массового использования. Они достаточно дорогие и требуют правильного режима эксплуатации. Сегодня это, скорее, инструмент для любителей разгона процессоров. Однако в случае необходимости сильного охлаждения процессоров кулеры Пельтье являются наиболее эффективными устройствами.

Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.

Описание экспериментальной установки

Для проведения эксперимента была создана установка, позволяющая получить необходимые данные.

Для уменьшения теплообмена с окружающей средой необходимо создать термостат. В экспериментальной установке это достигнуто с помощью теплоизоляционных материалов, используемых при строительстве, в котром созданы две ванны, разделённые в одном случае элементов Пельтье, в другом случае элементом Зеебека. В качестве ванночки использовались влагонепроницаемые коробочки от сока. Гидроизоляция элементов достигнута с помощью клеевого пистолета.

Для проведения эксперимента были подобраны элементы Пельтье и Зеебека с близкими характеристиками: рабочее напряжение и мощность.

В качестве измерительных приборов для фиксирования температуры использовались мультиметры.

Значение напряжения снималось также с помощью мультиметра или вольтметра.

Методика проведения эксперимента

В зависимости от исследуемого элемента, в разные секции ванночек заливалась либо вода разной температуры (прямой эффект Зеебека и обратный эффекта Пельтье), либо вода одинаковой температуры для обнаружения прямого эффекта Пельтье и обратного эффекта Зеебека).

Показания датчиков температуры заносились в таблицу (приложение 1), на основе которой были построены графики зависимости напряжения от температуры.

Каждый эксперимент проводился в течении 7 - 10 минут.

Результаты эксперимента

На основании данных, полученных в ходе четырёх экспериментов, построены графики

В ходе эксперимента наблюдается прямой эффет Зеебека и обратный эффект Пельтье соответствующих элементов, значения напряжений на которых примерно одинаковы. Как видно из графика зависимость напряжения на элементе от разницы температур поверхностей аналогичны. Различие в значениях объясняется различием в характеристиках объектов.

Сравнение прямого эффекта Пельтье и обратного эффекта Зеебека

Обратный эффект Зеебека

Как видно из графика, с учётом погрешностей, связанных с конструктивными особенностями прибора (указано в инструкции) можно считать, что температура в ходе эксперимента не менялась, что говорит о том, обратный эффект Зеебека не зарегистрировано.

Об этом можно судить и по графику с добавление линии тренда

Прямой эффект Пельтье

Эксперимент подтвердил наличие прямого эффекта Пельтье: в одной части ванночки температура увеличивалась, в другой падала.

Аналогичный вывод следует из анализа изменения разности температур двух сторон элемента Пельтье.

Вывод:

Элемент Пельтье имеет как прямой, так и обратный эффектеы. Элмент Зеебека возможно использовать только в прямом направлении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При работе над исследованием на основе доступных источников изучена история и особенности прямого и обратного эффекта Пельтье, прямого и обратного эффекта Зеебека.

Создание эффективной установки позволило качественно провести запланированные эксперименты для подтверждена выдвинутой гипотезы.

В ходе исследования выявлены отличительные особенности эффектаПельтье и эффекта Зеебека при их использовании в прямом и обратном направлении.

Полностью подтвердилось предположение об отсутствии обратного эффекта Зеебека. Исходя из этого утверждения следует помнить, что такие элементы как элемент Пельтье и Зеебека эффективнее использовать по прямому назначению, хотя и существует возможность использования прямого эффета Зеебека и обратного эффекта Пельтье. При наличии конструктивных сходств, все-таки для соблюдения технологии следует работать с конкретным эффектом.

После детального изучения эффекта Пельтье можно сделать вывод: несмотря на то, что использование эффекта Пельтье требует дополнительных мер и исследований по изучению безопасного и рационального использования модулей Пельтье в качестве охлаждающих устройств, это явление чрезвычайно перспективно.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10. т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. - 4-е изд., стереот.-м.: Физматлит, 2000. - 656 с.

2. Наркевич И.И. Физика: Учеб./ И.И. Наркевич, Э.И. Вомлянский, С.И. Лобко. - Мн.: Новое знание, 2004. - 680 с.

3. Роуэлл Г., Герберт С. Физика / Пер. с англ. под ред. В.Г. Разумовского. - М.: Просвещение, 1994. - 576 с.: ил.

4. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.490-494.

5.. Физика: Энциклопедия./ Под. Ред. Ю.В. Прохорова. - М.: Большая Российская Энциклопедия, 2003. - 944 с.: ил., 2 л. цв.

6. Физическая энциклопедия, т. 5. Стробоскопические приборы - яркость/ Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Балдин, Большая Российская Энциклопедия, 1998. - 760 с.

7. Vladimir Lank, Miroslav Vondra. Fizika v kocke. - Ceska republika: FRAGMENT, 2000. - 120 с. Учебник для средней школы, Словацкая республика.

8. Tsokos K.A. Physics for the IB Diploma. Fifth edition. - UK: Cambridge Universyty Press, 2004. - 850 с. Учебник для программы международного бакалавриата

9. Сайт компании 3bscientific. [электронный ресурс]// https://www.3bscientific.ru/лабораторная-установка-эффект-зеебека-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (дата обращения: 18 февраля 2018 г.)

Приложение 1. Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Прямой эффект Зеебека

Время t, с	Разница температур Δ t, о С	Напряжение U, В

Эксперимент 2. Обратный эффект Пельтье

Время t, с	Температура холодной воды t x , о С	Температура горячей воды t г, о С	Разница температур Δ t, о С	Напряжение U, В

Эксперимент 3. Обратный эффект Зеебека

Время t, с	Температура холодной воды t x , о С	Температура горячей воды t г, о С	Разница температур Δ t, о С	Напряжение

Эксперимент 4. Прямой эффект Пельтье

Время t, с	Температура холодной воды t x , о С	Температура горячей воды t г, о С	Разница температур Δ t, о С	Напряжение U, В

Приложение 2. Фотография установки