Что такое эффект Пельтье. Как работают термоэлектрические модули на его основе. Где применяются элементы Пельтье. Каковы преимущества и недостатки термоэлектрического охлаждения. Каковы перспективы развития технологии.
Что такое эффект Пельтье
Эффект Пельтье — это термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух разнородных проводников. Этот эффект был открыт французским физиком Жаном Пельтье в 1834 году.
Суть эффекта Пельтье заключается в следующем:
- При прохождении электрического тока через контакт двух различных проводников или полупроводников происходит либо выделение, либо поглощение тепла (в зависимости от направления тока).
- Количество выделяемого или поглощаемого тепла пропорционально силе тока.
- Направление теплового потока меняется при изменении направления электрического тока.
Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека, при котором возникает электрический ток в цепи из разнородных проводников, если места их контактов имеют разную температуру.
Принцип работы термоэлектрического модуля Пельтье
Термоэлектрический модуль Пельтье состоит из последовательно соединенных полупроводниковых p-n переходов. При пропускании через модуль постоянного тока происходит следующее:
- На одной стороне модуля происходит поглощение тепла (охлаждение).
- На противоположной стороне происходит выделение тепла (нагрев).
- Разница температур между сторонами может достигать 70°C.
- При изменении полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.
Таким образом, модуль Пельтье работает как тепловой насос, перекачивая тепло с одной стороны на другую за счет электрической энергии.
Где применяются элементы Пельтье
Благодаря своим уникальным свойствам, термоэлектрические модули Пельтье нашли широкое применение в различных областях:
Охлаждение электронных компонентов
Элементы Пельтье активно используются для отвода тепла от процессоров, видеокарт и других электронных компонентов в компьютерах и серверах. Они позволяют эффективно охлаждать локальные участки и поддерживать оптимальную рабочую температуру чипов.
Портативные холодильники и термосумки
Компактные модули Пельтье применяются в автомобильных мини-холодильниках и термоэлектрических сумках-холодильниках. Они обеспечивают охлаждение продуктов и напитков без использования компрессора.
Лазерные системы
В лазерных диодах и оптических системах элементы Пельтье используются для прецизионного температурного контроля, что позволяет стабилизировать длину волны излучения.
Медицинское оборудование
Модули Пельтье применяются в медицинских приборах для быстрого нагрева или охлаждения образцов, а также в криохирургических инструментах.
Преимущества и недостатки термоэлектрического охлаждения
Рассмотрим основные плюсы и минусы использования элементов Пельтье для охлаждения:
Преимущества:
- Отсутствие движущихся частей, что обеспечивает высокую надежность
- Малые размеры и вес
- Возможность точного контроля температуры
- Быстрый выход на рабочий режим
- Бесшумность работы
- Возможность работы в любом положении
Недостатки:
- Относительно низкий КПД (5-10%)
- Высокое энергопотребление
- Необходимость эффективного отвода тепла с горячей стороны
- Ограниченная холодопроизводительность
- Высокая стоимость по сравнению с традиционными системами охлаждения
Перспективы развития термоэлектрического охлаждения
Несмотря на некоторые недостатки, технология термоэлектрического охлаждения на основе эффекта Пельтье продолжает активно развиваться. Основные направления совершенствования включают:
- Разработку новых термоэлектрических материалов с улучшенными характеристиками
- Оптимизацию конструкции термоэлектрических модулей
- Повышение эффективности отвода тепла с горячей стороны
- Создание гибридных систем охлаждения
- Расширение областей применения термоэлектрических устройств
Ожидается, что дальнейшее развитие технологии позволит повысить КПД термоэлектрических модулей и снизить их стоимость, что сделает их еще более привлекательными для применения в различных отраслях.
Заключение
Эффект Пельтье и основанные на нем термоэлектрические модули представляют собой уникальную технологию, позволяющую осуществлять прямое преобразование электрической энергии в тепловую и наоборот. Несмотря на некоторые ограничения, элементы Пельтье находят широкое применение благодаря своим уникальным свойствам и продолжают совершенствоваться, открывая новые возможности для эффективного охлаждения и температурного контроля в различных областях науки и техники.
Эффект Пельтье — Wikiwand
- ВведениеЭффект Пельтье
- Примечания
- Ссылки
Эффект Пельтье́ — термоэлектрическое явление переноса энергии при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников, от одного проводника к другому.
| Термоэлектрические явления |
|---|
| Принципы |
|
| Применения |
|
Величина перемещённой энергии и направление её переноса зависят от вида контактирующих веществ и от направления и силы протекающего электрического тока[1]:
Схема эффекта Пельтье- Q=ΠABIt=(ΠB−ΠA)It{\displaystyle Q=\Pi _{AB}It=(\Pi _{B}-\Pi _{A})It},
- где Q{\displaystyle Q} — количество выделенного или поглощённого тепла;
- I{\displaystyle I} — сила тока;
- t{\displaystyle t} — время протекания тока;
- Π{\displaystyle \Pi } — коэффициент Пельтье, который связан с коэффициентом термо-ЭДС α{\displaystyle \alpha } вторым соотношением Томсона[2] Π=αT{\displaystyle \Pi =\alpha T}, где T{\displaystyle T} — абсолютная температура в K.
Эффект открыт Жаном Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году — Ленц в эксперименте, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. При пропускании электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, при смене направления тока — лёд таял, что позволило установить, что в зависимости от направления протекающего в эксперименте тока, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека.
Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье.
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.
Помогите решить / разобраться (Ф)
Сообщения без ответов | Активные темы | Избранное
| klynxe |
| ||
22/09/15 |
| ||
| |||
| levtsn |
| ||
08/08/14 |
| ||
| |||
09.2015, 21:18 
0 A, Umax = 15.5 В, Q max = 53 Вт (имеется, видимо, максимальная мощность отбираемая с холодной стороны). Умножаем Imax на Umax, получаем по закону Джоуля-Ленца выделяемое тепловым насосом тепло 93 Вт. Прибавляем к получившемуся 53 Вт поглощаемых на холодной стороне, получаем 146 Вт. Итого: на холодной отбираем 53 Вт, на горячей выделяем 146 Вт. Чтобы посчитать КПД делим полезную работу на потребляемую энергию (53/93), получаем КПД 57%, не так уж плохо. Все цифры приведены для ПРЕДЕЛЬНОГО режима работы (или нижняя точка на графике). При понижении нагрузки КПД растет. Это видно из графика выделяемой мощности. » тута:http://www.rom.by/comment/1394| klynxe |
| ||
22/09/15 |
| ||
| |||
09.2015, 21:35 
0 A, Umax = 15.5 В, Q max = 53 Вт (имеется, видимо, максимальная мощность отбираемая с холодной стороны). Умножаем Imax на Umax, получаем по закону Джоуля-Ленца выделяемое тепловым насосом тепло 93 Вт. Прибавляем к получившемуся 53 Вт поглощаемых на холодной стороне, получаем 146 Вт. Итого: на холодной отбираем 53 Вт, на горячей выделяем 146 Вт. Чтобы посчитать КПД делим полезную работу на потребляемую энергию (53/93), получаем КПД 57%, не так уж плохо. Все цифры приведены для ПРЕДЕЛЬНОГО режима работы (или нижняя точка на графике). При понижении нагрузки КПД растет. Это видно из графика выделяемой мощности. » тута:http://www.rom.by/comment/1394
Понимаю что такое вроде не должно быть, но почему, объясните кто может?| levtsn |
| ||
08/08/14 |
| ||
| |||
| klynxe |
| ||
22/09/15 |
| ||
| |||
09.2015, 22:48 | Pphantom |
| ||
09/05/12 | |||
| |||
09.2015, 01:03 | Pphantom |
| |||||
09/05/12 |
| |||||
| ||||||
| AnatolyBa |
| |||
21/09/15 |
| |||
| ||||
09.2015, 14:03 | klynxe |
| ||
22/09/15 |
| ||
| |||
09.2015, 17:20 | klynxe |
| ||
22/09/15 |
| ||
| |||
09.2015, 19:01 | Xey |
| |||
07/07/09 |
| |||
| ||||
И только некоторую часть этого потока можно преобразовать в полезную. Эта часть зависит от температур в начале и в конце потока, в соответствии с формулой КПД цикла Карно.| Bulatos |
| ||
19/08/14 |
| ||
| |||
розетки.| AnatolyBa |
| |||
21/09/15 |
| |||
| ||||
| Показать сообщения за: Все сообщения1 день7 дней2 недели1 месяц3 месяца6 месяцев1 год Поле сортировки АвторВремя размещенияЗаголовокпо возрастаниюпо убыванию |
| Страница 1 из 1 | [ Сообщений: 13 ] |
Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы
Кто сейчас на конференции |
Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей |
| Вы не можете начинать темы Вы не можете отвечать на сообщения Вы не можете редактировать свои сообщения Вы не можете удалять свои сообщения Вы не можете добавлять вложения |
| Найти: |
Термоэлектрический эффект — Википедия, бесплатная энциклопедия
альтернативная энергия охлаждение diy электроника энергия mst peltier power термодинамика твердого тела термоэлектричество термоэлектричество Мои теги:
Из Википедии, бесплатная энциклопедия
о термоэлектрическом эффекте как физическом явлении.
Для приложений термоэлектрического эффекта см термоэлектричество .
термоэлектрический эффект – это прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда на каждой стороне разная температура. И наоборот (и, говоря термодинамическим языком, обратимо ), когда к нему приложено напряжение, он создает разность температур. В атомном масштабе (в частности, носители заряда) приложенная разница температур заставляет заряженные носители в материале, будь то электроны или дырки, диффундировать с горячей стороны на холодную, подобно классическому газу, который расширяется при нагревании; следовательно, термоиндуцированный ток.
Этот эффект можно использовать для выработки электроэнергии, измерения температуры, охлаждения объектов, их нагрева или приготовления пищи. Поскольку направление нагрева и охлаждения определяется знаком приложенного напряжения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.
Традиционно термин термоэлектрический эффект или термоэлектричество охватывает три отдельно идентифицируемых эффекта: эффект Зеебека , эффект Пельтье и эффект Томсона . Во многих учебниках термоэлектрический эффект может также называться эффектом Пельтье-Зеебека . Это разделение происходит из независимых открытий французского физика Жана Шарля Атанаса Пельтье и эстонско-немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека. Джоулев нагрев , тепло, которое выделяется всякий раз, когда к резистивному материалу прикладывается напряжение, в некоторой степени связано, хотя обычно его не называют термоэлектрическим эффектом (и обычно его рассматривают как механизм потерь из-за неидеальности термоэлектрических устройств). ). Эффекты Пельтье-Зеебека и Томсона обратимы, [ нужна ссылка ] тогда как джоулев нагрев — нет.
Содержимое
|
1 ТермоЭДС[править] Эффект Зеебека
Эффект Зеебека представляет собой преобразование разницы температур непосредственно в электричество.
Зеебек обнаружил, что стрелка компаса будет отклоняться, когда замкнутый контур будет сформирован из двух металлов, соединенных в двух местах с разницей температур между соединениями. Это связано с тем, что металлы по-разному реагируют на разницу температур, которая создает петлю тока, создающую магнитное поле.
Зеебек, однако, в то время не осознавал, что здесь задействован электрический ток, поэтому он назвал это явление термомагнитным эффектом, полагая, что два металла становятся магнитно поляризованными из-за температурного градиента. Датский физик Ганс Кристиан Эрстед сыграл жизненно важную роль в объяснении и понимании термина «термоэлектричество».
Эффект заключается в том, что напряжение, термоэлектрическая ЭДС, создается при наличии разницы температур между двумя разными металлами или полупроводниками. Это вызывает непрерывный ток в проводниках, если они образуют полный контур. Создаваемое напряжение имеет разность порядка нескольких микровольт на кельвин. Одна из таких комбинаций, медь-константан, имеет коэффициент Зеебека 41 микровольт на кельвин при комнатной температуре.
В цепи:
(которая может иметь несколько различных конфигураций и подчиняться одним и тем же уравнениям) развиваемое напряжение может быть получено из:
S A и S B — это коэффициенты Seebeck (также называемые термоэлектрическими мощностью или Thermopower ) из металлов A и B в качестве функции температуры и T 1 1 1 .
и T 2 — температуры двух переходов. Коэффициенты Зеебека нелинейны в зависимости от температуры и зависят от абсолютной температуры, материала и молекулярной структуры проводников. Если коэффициенты Зеебека фактически постоянны для измеренного диапазона температур, приведенная выше формула может быть аппроксимирована следующим образом:
Эффект Зеебека обычно используется в устройстве, называемом термопарой (поскольку оно сделано из муфты или соединения материалов, обычно металлов), для непосредственного измерения разности температур или для измерения абсолютной температуры путем установки одного конца на известную температуру . Несколько термопар, соединенных последовательно, называют термобатареей, которую иногда конструируют для увеличения выходного напряжения, так как напряжение, индуцируемое на каждой отдельной паре, мало.
По этому же принципу работают термодиоды и термоэлектрические генераторы (такие как радиоизотопные термоэлектрические генераторы или РИТЭГи), которые используются для выработки энергии из перепадов тепла.
Эффект Зеебека возникает из-за двух эффектов: диффузии носителей заряда и фононного увлечения (описано ниже). Если оба соединения поддерживаются при одинаковой температуре, но одно соединение периодически открывается и закрывается, измеряется напряжение переменного тока, которое также зависит от температуры. Это приложение зонда Кельвина иногда используется, чтобы доказать, что основной физике нужен только один переход. И этот эффект все равно виден, если провода только сближаются, но не соприкасаются, поэтому рассеивание не нужно.
[править] ТермоЭДС
ТермоЭДС , или термоЭДС, или коэффициент Зеебека материала измеряет величину индуцированного термоэлектрического напряжения в ответ на разницу температур в этом материале. ТермоЭДС имеет единицы измерения (В/К), хотя на практике чаще используют микровольты на кельвин. Значения в сотни мкВ/К, отрицательные или положительные, типичны для хороших термоэлектрических материалов. Термин «термоЭДС» является неправильным, поскольку он измеряет напряжение или электрическое поле, возникающее в ответ на разницу температур, а не электрическую мощность.
Приложенная разница температур заставляет заряженные носители в материале, будь то электроны или дырки, диффундировать с горячей стороны на холодную, подобно классическому газу, который расширяется при нагревании. Подвижные заряженные носители, мигрирующие на холодную сторону, оставляют свои противоположно заряженные и неподвижные ядра на горячей стороне, что приводит к возникновению термоэлектрического напряжения (под термоэлектрическим понимается тот факт, что напряжение создается разностью температур). Поскольку разделение зарядов также создает электрический потенциал, накопление заряженных носителей на холодную сторону в конце концов прекращается при некотором максимальном значении, поскольку существует равное количество заряженных носителей, дрейфующих обратно на горячую сторону в результате электрического поля в равновесии. . Только увеличение разности температур может возобновить накопление большего количества носителей заряда на холодной стороне и тем самым привести к увеличению термоэлектрического напряжения.
Между прочим, термоЭДС также измеряет энтропию, приходящуюся на один носитель заряда в материале. Чтобы быть более конкретным, говорят, что парциальная молярная электронная теплоемкость равна абсолютной термоэдс, умноженной на минус постоянной Фарадея. [1]
ТермоЭДС материала, представленного S (или иногда α), зависит от температуры материала и кристаллической структуры. Обычно металлы имеют небольшую термоэдс, потому что большинство из них имеют наполовину заполненные зоны. Электроны (отрицательные заряды) и дырки (положительные заряды) вносят свой вклад в индуцированное термоэлектрическое напряжение, тем самым компенсируя вклад друг друга в это напряжение и делая его небольшим. Напротив, полупроводники могут быть легированы избыточным количеством электронов или дырок и, таким образом, могут иметь большие положительные или отрицательные значения термоЭДС в зависимости от заряда избыточных носителей. Знак термоЭДС может определять, какие заряженные носители преобладают в электрическом транспорте как в металлах, так и в полупроводниках.
Если разница температур Δ T между двумя концами материала мала, то термоЭДС материала определяется (приблизительно) [2] как:
и на выводах видно термоэлектрическое напряжение Δ В .
Это также можно записать по отношению к электрическому полю E и градиенту температуры с помощью приблизительного уравнения [2] :
На практике редко измеряют абсолютную термоЭДС интересующего материала. Это связано с тем, что электроды, прикрепленные к вольтметру, должны быть помещены на материал для измерения термоэлектрического напряжения. Градиент температуры также обычно индуцирует термоэлектрическое напряжение на одном плече измерительных электродов. Поэтому измеренная термоЭДС включает вклад термоЭДС интересующего материала и материала измерительных электродов.
Тогда измеренная термоЭДС является вкладом обоих и может быть записана как:
Сверхпроводники обладают нулевой термоэдс, так как заряженные носители не производят энтропии.
Это позволяет прямое измерение абсолютной термоЭДС интересующего материала, поскольку это также термоЭДС всей термопары. Кроме того, измерение коэффициента Томсона μ материала также может дать термоЭДС через соотношение:
ТермоЭДС является важным параметром материала, который определяет эффективность термоэлектрического материала. Большее индуцированное термоэлектрическое напряжение для данного температурного градиента приведет к большему КПД. В идеале хотелось бы иметь очень большие значения термоЭДС, поскольку в этом случае для создания большого напряжения требуется лишь небольшое количество тепла. Затем это напряжение может быть использовано для обеспечения питания.
[править] Диффузия носителей заряда
Носители заряда в материалах (электроны в металлах, электроны и дырки в полупроводниках, ионы в ионных проводниках) будут диффундировать, когда один конец проводника находится при другой температуре, чем другой. Горячие носители диффундируют от горячего конца к холодному, так как на холодном конце проводника плотность горячих носителей меньше.
По той же причине переносчики холода диффундируют от холодного конца к горячему.
Если оставить проводник для достижения термодинамического равновесия, этот процесс приведет к равномерному распределению тепла по проводнику (см. Теплопередача). Перемещение тепла (в виде горячих носителей заряда) от одного конца к другому называется тепловым током. Поскольку носители заряда движутся, это также электрический ток.
В системе, где на обоих концах поддерживается постоянная разница температур (постоянный поток тепла от одного конца к другому), происходит постоянная диффузия носителей. Если бы скорость диффузии горячих и холодных носителей в противоположных направлениях была одинаковой, не было бы результирующего изменения заряда. Однако диффундирующие заряды рассеиваются на примесях, несовершенствах и колебаниях решетки (фононах). Если рассеяние зависит от энергии, горячие и холодные носители будут диффундировать с разной скоростью. Это создает более высокую плотность носителей на одном конце материала, а расстояние между положительным и отрицательным зарядами создает разность потенциалов; электростатическое напряжение.
Это электрическое поле, однако, препятствует неравномерному рассеянию носителей, и достигается равновесие, когда чистое число носителей, диффундирующих в одном направлении, уравновешивается чистым числом носителей, движущихся в противоположном направлении от электростатического поля. Это означает, что термоЭДС материала сильно зависит от примесей, дефектов и структурных изменений (которые часто меняются в зависимости от температуры и электрического поля), а термоЭДС материала представляет собой набор множества различных эффектов.
Первые термопары были металлическими, но многие недавно разработанные термоэлектрические устройства состоят из чередующихся полупроводниковых элементов p-типа и n-типа, соединенных металлическими межсоединениями, как показано на рисунках ниже. Полупроводниковые переходы особенно распространены в устройствах выработки электроэнергии, тогда как металлические переходы чаще используются для измерения температуры. Заряд проходит через элемент n-типа, пересекает металлическое соединение и переходит в элемент p-типа.
При наличии источника питания термоэлектрическое устройство может действовать как охладитель, как показано на рисунке слева внизу. Это эффект Пельтье, описанный в следующем разделе. Электроны в элементе n-типа будут двигаться против направления тока, а дырки в элементе p-типа будут двигаться в направлении тока, отводя тепло с одной стороны устройства. Если имеется источник тепла, термоэлектрическое устройство может работать как генератор энергии, как показано на рисунке справа внизу. Источник тепла будет перемещать электроны в элементе n-типа в более холодную область, тем самым создавая ток в цепи. Отверстия в элементе p-типа тогда будут течь в направлении тока. Затем ток можно использовать для питания нагрузки, таким образом преобразуя тепловую энергию в электрическую.
[править] Фононное сопротивление
Основная статья: Фононное сопротивление
Фононы не всегда находятся в локальном тепловом равновесии; они движутся против температурного градиента. Они теряют импульс, взаимодействуя с электронами (или другими носителями) и несовершенствами кристалла.
Если преобладает фонон-электронное взаимодействие, фононы будут стремиться подтолкнуть электроны к одному концу материала, теряя при этом импульс. Это способствует уже существующему термоэлектрическому полю. Этот вклад наиболее важен в области температур, где преобладает фонон-электронное рассеяние. Это происходит за
, где θ D — температура Дебая. При более низких температурах для увлечения доступно меньше фононов, а при более высоких температурах они имеют тенденцию терять импульс в фонон-фононном рассеянии вместо фонон-электронного рассеяния.
Эта область зависимости термоЭДС от температуры сильно меняется в магнитном поле.
[править] Спиновый эффект Зеебека и магнитные батареи
Физики недавно обнаружили, что нагревание одной стороны намагниченного никель-железного стержня заставляет электроны перестраиваться в соответствии со своим спином. Этот так называемый «эффект вращения Зеебека» может привести к тому, что батареи будут генерировать магнитные токи, а не электрические.
Источник магнитных токов может быть особенно полезен для разработки устройств спинтроники, использующих магнитные токи для снижения перегрева компьютерных микросхем, поскольку, в отличие от электрических токов, магнитные токи не выделяют тепло [3] .
[править] Эффект Пельтье
Этот эффект носит имя Жана-Шарля Пельтье (французский физик), открывшего в 1834 году теплотворное действие электрического тока на стыке двух разных металлов. Когда ток I течет по цепи, тепло выделяется в верхнем соединении (при T 2 ) и поглощается в нижнем соединении (при T 1 ). Теплота Пельтье, поглощаемая нижним спаем в единицу времени, равна
, где Π — коэффициент Пельтье Π AB всей термопары, а Π A и Π B — коэффициенты каждого материала. Кремний p-типа обычно имеет положительный коэффициент Пельтье (но не выше ~ 550 K), а кремний n-типа обычно отрицательный, как следует из названий.
Коэффициенты Пельтье показывают, сколько теплового тока передается на единицу заряда через данный материал.
Поскольку зарядный ток через переход должен быть непрерывным, связанный с ним тепловой поток будет иметь разрыв, если Π A и Π B разные. Это вызывает ненулевую дивергенцию на стыке, и поэтому тепло должно накапливаться или отводиться там, в зависимости от знака тока. Другой способ понять, как этот эффект может охлаждать соединение, — заметить, что когда электроны перетекают из области с высокой плотностью в область с низкой плотностью, они расширяются (как в случае с идеальным газом) и охлаждаются.
Проводники пытаются вернуться к равновесию электронов, существовавшему до того, как был подан ток, поглощая энергию на одном разъеме и высвобождая ее на другом. Отдельные пары могут быть соединены последовательно для усиления эффекта.
Интересным следствием этого эффекта является то, что направление теплопередачи контролируется полярностью тока; изменение полярности изменит направление передачи и, следовательно, знак поглощаемого/выделяемого тепла.
A Охладитель Пельтье /нагреватель или термоэлектрический тепловой насос представляет собой твердотельный активный тепловой насос, который передает тепло от одной стороны устройства к другой. Охлаждение Пельтье также называют термоэлектрическим охлаждением (TEC).
[править] Эффект Томсона
Эффект Томсона был предсказан и впоследствии экспериментально обнаружен Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1851 году. Он описывает нагрев или охлаждение проводника с током с градиентом температуры.
Любой проводник с током (кроме сверхпроводника) с разницей температур между двумя точками будет либо поглощать, либо излучать тепло, в зависимости от материала.
Если плотность тока Дж проходит через однородный проводник, тепловыделение на единицу объема составляет:
где
ρ — удельное сопротивление материала
dT / dx — градиент температуры вдоль провода
μ — коэффициент Томсона.
Первый член ρ J² представляет собой просто джоулев нагрев, который необратим.
Второй член — это теплота Томсона, которая меняет знак, когда J меняет направление.
В таких металлах, как цинк и медь, у которых более горячий конец имеет более высокий потенциал, а более холодный конец имеет более низкий потенциал, когда ток движется от более горячего конца к более холодному концу, он перемещается от высокого потенциала к низкому , поэтому происходит выделение тепла. Это называется положительным эффектом Томсона .
В таких металлах, как кобальт, никель и железо, которые имеют более холодный конец с более высоким потенциалом и более горячий конец с более низким потенциалом, когда ток движется от более горячего конца к более холодному концу, он движется от низкого к высокий потенциал, происходит поглощение тепла. Это называется отрицательный эффект Томсона .
Коэффициент Томсона является уникальным среди трех основных термоэлектрических коэффициентов, поскольку это единственный термоэлектрический коэффициент, который можно непосредственно измерить для отдельных материалов. Коэффициенты Пельтье и Зеебека можно определить только для пар материалов. Таким образом, не существует прямого экспериментального метода определения абсолютного коэффициента Зеебека (т.е. термоЭДС) или абсолютного коэффициента Пельтье для отдельного материала. Однако, как упоминалось в другом месте этой статьи, существуют два уравнения, соотношения Томсона, также известные как соотношения Кельвина (см. ниже), связывающие три термоэлектрических коэффициента. Поэтому только один можно считать уникальным.
Если коэффициент Томсона материала измеряется в широком диапазоне температур, включая температуры, близкие к нулю, можно затем проинтегрировать коэффициент Томсона по всему диапазону температур, используя соотношение Кельвина, чтобы определить абсолютные (т.е. для одного материала) значения для коэффициенты Пельтье и Зеебека. В принципе, это нужно делать только для одного материала, так как все остальные значения можно определить, измеряя попарно коэффициенты Зеебека в термопарах, содержащих эталонный материал, а затем прибавляя абсолютную термоэлектрическую мощность (термоЭДС) эталонного материала.
Обычно утверждается, что свинец не имеет эффекта Томсона. Хотя термоэлектрические коэффициенты свинца действительно малы, в целом они отличны от нуля. Коэффициент Томсона свинца был измерен в широком диапазоне температур и интегрирован для расчета абсолютной термоэдс (термоЭДС) свинца в зависимости от температуры. [4]
В отличие от свинца коэффициенты термоЭДС всех известных сверхпроводников равны нулю.
[править] Соотношения Томсона
Эффект Зеебека на самом деле является комбинацией эффектов Пельтье и Томсона. Фактически, в 1854 г. Томсон обнаружил два соотношения между соответствующими коэффициентами, называемые теперь соотношениями Томсона или Кельвина. Абсолютная температура T , коэффициент Пельтье Π и коэффициент Зеебека S связаны первым соотношением Томсона
, которые предсказали эффект Томсона до того, как он был фактически формализован. Они связаны с коэффициентом Томсона µ вторым соотношением Томсона
Теоретическая трактовка термоэлектричества Томсоном примечательна тем, что это, вероятно, первая попытка разработать разумную теорию необратимой термодинамики (неравновесной термодинамики). Это произошло примерно в то время, когда Клаузиус, Томсон и другие ввели и усовершенствовали понятие энтропии.
[править] Показатель качества
Показатель качества для термоэлектрических устройств определяется как
- ,
, где σ — электропроводность, λ — теплопроводность, а S — коэффициент Зеебека или термоЭДС (условно в мкВ/К). Это чаще выражается как безразмерная добротность ZT путем умножения ее на среднюю температуру (( T 2 + T 1 ) / 2). Более высокие значения ZT указывают на большую термодинамическую эффективность при соблюдении определенных условий, в частности требования, чтобы два материала пары имели одинаковую Z значений. Таким образом, ZT является очень удобным показателем для сравнения потенциальной эффективности устройств, использующих различные материалы. Значения ZT =1 считаются хорошими, а значения по крайней мере в диапазоне 3–4 считаются необходимыми для того, чтобы термоэлектрики могли конкурировать с механической генерацией и охлаждением по эффективности. На сегодняшний день лучшие сообщаемые значения ZT находились в диапазоне 2–3. [5] [6] [7] Многие исследования в области термоэлектрических материалов были сосредоточены на увеличении коэффициента Зеебека и снижении теплопроводности, особенно путем изменения наноструктуры материалов.
Немецкие автопроизводители Volkswagen и BMW разработали термоэлектрические генераторы (ТЭГ), которые утилизируют отработанное тепло двигателя внутреннего сгорания.
Согласно отчету профессора Роу из Университета Уэльса в Международном термоэлектрическом обществе, Volkswagen заявляет, что мощность ТЭГ составляет 600 Вт в условиях движения по шоссе. Электричество, производимое ТЭГ, удовлетворяет около 30% потребностей автомобиля в электричестве, что приводит к снижению механической нагрузки (генератора переменного тока) и снижению расхода топлива более чем на 5%.
BMW и DLR (German Aerospace) также разработали термоэлектрический генератор с питанием от выхлопных газов, который достигает максимальной мощности 200 Вт и успешно используется на дорогах с пробегом более 12 000 км.
Космические зонды к внешней части Солнечной системы используют эффект радиоизотопных термоэлектрических генераторов для получения электроэнергии.
[править] См. также
- Теплообмен
- Законы Джоуля
- Пироэлектричество — создание электрического поля в кристалле после равномерного нагрева 9 a b Строго говоря, эти два выражения для коэффициента Зеебека являются приблизительными: потенциала, и аналогично второе уравнение должно иметь градиент электрохимического потенциала, деленный на e, а не на электрическое поле. Однако химический потенциал часто относительно постоянен в зависимости от температуры, поэтому использование только электрического потенциала в этих случаях является очень хорошим приближением. См. Тейлор, 19 лет T.C. Harman, M.P. Walsh, B.E. Laforge и G.W. Turner, J. Electron. Матер. 34, Л19 2005
- Безансон, Роберт М. (1985). Физическая энциклопедия, третье издание . Компания Ван Ностранд Рейнхольд. ISBN 0-442-25778-3.
- Роу Д.М., изд. (2006). Справочник по термоэлектричеству: от макро до нано . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0-8493-2264-2.
- Иоффе А.Ф. (1957). Полупроводниковые термоэлементы и термоэлектрическое охлаждение . ИнфоСёрч Лимитед. ISBN 0-8508-6039-3.
- Томсон, Уильям (1851 г.). «К механической теории термоэлектрических токов». Proc.Roy.Soc.Edinburgh : 91–98.
- Устройство для измерения эффекта Зеебека
- Эффект Томсона — интерактивное руководство по Java Национальная лаборатория сильных магнитных полей
- Международное термоэлектрическое общество
- Термоэлектрические Новости
- Общий
- Объяснение компонентов термоЭДС диффузии носителей и фононного увлечения
- Хорошее объяснение конструкции термоэлектрического охладителя
- Технические документы BSST по термоэлектрическим устройствам
- Gizmag Статья о применении термоэлектриков
- Краткое пояснение
- Знакомство с термоэлектрическими охладителями
- Происхождение термоэлектрического потенциала
- Новостная статья о повышении эффективности тепловых диодов
- Вентилятор для размещения на плитах и других горячих предметах, работающий на эффекте Пельтье-Зебека.
- Генерация полезных напряжений (и питание радиопередатчиков) от устройств Пельтье
[править] Внешние ссылки
[править] Общее
[править] Полупроводники
[править] Металлы
[править] Связанные
Термоэлектричество — MSE 5317
Введение
Эффект термоэлектричества, по определению (Википедия), термоэлектричество относится к классу явлений, в которых разница температур создает электрический потенциал или электрический потенциал создает разницу температур.
Эффект Зеебека
Если к паре приложена небольшая разность температур ∇T, то производная ~ ∇T/∇T определяет термоэлектрическую мощность рассматриваемой термопары. Если генерируемая разность потенциалов ∇V имеет такое же направление, как показано на рисунке выше, абсолютная термоэдс (S_1) первого проводника положительна по отношению к другому проводнику,
(1)
\begin{align} S_{1} — S_{2} \equiv \frac{dV}{dT} > 0 \end{align}
Если к проводнику приложить температурный градиент без электрического поля, будет возникать поток энергии (тепловой поток) и электрический ток, называемый термоэлектрическим током, если каким-то образом у нас получится замкнутая цепь. Еще одним условием, необходимым для наблюдения термоэлектрического тока, является наличие в цепи двух разных материалов. Это явление известно как эффект Зеебека в честь человека, которому приписывают это открытие.
Эффект Пельтье
Если электрический ток проходит от одного материала к другому, было также замечено, что тепло может либо поглощаться, либо выделяться в области перехода, в зависимости от направления тока. Важно различать охлаждение или нагрев Пельтье и джоули. Джоулево тепло является прямым следствием удельного электрического сопротивления материала и представляет собой необратимый эффект, который зависит только от квадрата плотности тока. С другой стороны, эффект Пельтье линейно зависит от величины протекающего тока. Температура перехода (поглощаемая или выделяемая теплота) зависит от направления протекания тока и градиента температуры. Это означает, что этот эффект является обратимым, поскольку джоулево тепло — нет.
Теплота Пельтье Π на стыке определяется как «тепло, выделяемое в единицу времени на единицу электрического тока, протекающего слева направо». V в своем постулате, названном теплотой Томсона в проводнике, выражается следующим образом: если электрический ток с плотностью тока Jx проходит через проводник при наличии градиента температуры dT/dx, то чистая теплота, выделяемая в проводнике за единица объема в секунду Q, равна 9{2}}{\sigma } — \mu J_{x}\frac{dT}{dx} \end{align}
Где σ — проводимость, $J_{x}$ — плотность тока, dT/dx — градиент температуры, μ — тепловой коэффициент Томсона. Томсон вывел соотношение между теплотой Томпсона (μ), абсолютной термоэдс (S) и теплотой Пельтье (Π) проводника,
$\mu = \frac{T ds}{dT}$ , $\Pi = TS $
Оценки величины термоэлектрических свойств.
Первый подход предполагает, что теплота Томсона равна равновесной удельной теплоемкости. Для этого анализа будет использоваться представление проводника как постоянного числа свободных электронов в жестком ящике. 92/2m$, для данного импульса кинетика велика вследствие малой массы электрона, поэтому высшие состояния, занимаемые электронами проводимости, соответствуют очень высокой энергии. При нормальной температуре (T « ζ₀/k) небольшая часть электронов, оказавшихся вблизи вершины распределения энергии, может обмениваться тепловой энергией с окружающей средой. В нижнем состоянии не происходит перехода энергии, так как все соседние состояния уже заняты. Меньшая доля электронов, вносящих вклад в теплообмен, определяется выражением KT/ ζ₀, где ζ₀ — энергия Ферми. 92 T}{2 T_0}k \end{align}
$kT_0 = {\zeta _{0}}$
$T_0 = Фермиевская температура вырождения электрона$
Если сравнивать металлы с полупроводниками, то можно заметить, что запрещенная зона ограничивала электроны в зоне проводимости. При нормальной температуре доступно всего несколько электронов; они должны быть возбуждены, чтобы обеспечить электронную проводимость. В то время, когда электроны термически возбуждаются либо из валентной зоны, либо с локализованных примесных уровней в зону проводимости, их остаются задние дыры (разновидность положительных электронов).
Подвижность дырок намного меньше подвижности электронов, поэтому пренебрежение ею не должно влиять на аппроксимацию. «Может также возникнуть ситуация, когда существует большая энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости, и гораздо выгоднее возбудить электроны из полной валентной зоны на локализованные атомные орбитали вокруг примесных атомов (так называемые акцепторные участки), требующие значительного меньше энергии, чем возбуждение в зоне проводимости».
В полупроводнике, как было сказано ранее, возбуждаются тепловой энергией, следовательно, можно ожидать изменения концентрации электронов при изменении температуры.
$N \propto exp (-U/kT)$
N = электрон проводимости в собственном материале
U = энергия возбуждения на электрон
затем тепло Томсона
$\mu \приблизительно \frac{k}{e} (\frac{3}{3}-\frac{T}{N}\frac{dN}{dT})$
$\mu \приблизительно \frac{k}{e}(\frac{3}{ 2}-\frac{U}{kT})$
Тогда можно ожидать, что этот второй член будет давать весьма заметный вклад в теплоту Томсона.
Эффекты неравновесия или фононного увлечения
Предварительные обсуждения были основаны на модели свободных электронов, без столкновений внутри проводника. Для этой модели можно сказать, что единственным механизмом, вызывающим термоэлектрический ток, являются электроны на горячем конце проводника, обладающие большей тепловой энергией, чем электроны на холодном конце проводника, и диффузия электронов будет генерировать термоэлектрический ток.
«Однако градиент температуры вызывает поток энергии через атомную решетку в виде термически генерируемых волн решетки (волны Дебая или фононы) с потоком чистой энергии от более горячего к более холодному концу». Если фононы значительно взаимодействуют с электронами проводимости, их поведение будет подобно электрическому сопротивлению проводника, которое зависит от температуры. Поток фононов будет стремиться «сметать» электроны с более горячей стороны проводника на более холодную (эффект фононного увлечения).
Когда электроны достаточно сильно взаимодействуют с фононами, теплоемкость также должна учитываться в решетке.
$S \приблизительно \frac{Cg}{Ne}\alpha$
$C_g$ = удельная теплоемкость решетки на единицу объема
$N$ = плотность электронов проводимости
$\alpha$ = лежит между 0 и около 1, id s мера относительной вероятности «столкновения» фонона с электроном проводимости
Предварительное уравнение можно переписать
(4)
\begin{align} S = \frac{C_g}{\beta e}\alpha \end{align}
$C_g$ = удельная теплоемкость решетки на атом
$\beta$ = число электронов проводимости на атом
Более точный анализ
(5)
\begin{align} S = \frac{1}{3}\frac{C_g}{Ne}\alpha \end{align}
$\alpha$ измеряют вероятность столкновения фонона с электроном проводимости . Но фононы взаимодействуют не только с электронами, но и с другими фононами за счет ангармонической связи. По мере повышения температуры эффект ангармонической связи становится более значительным, и фонон-фононное столкновение будет преобладать, а не фонон-эффект увлечения. С повышением температуры фонон-фононное взаимодействие увеличивается, и α должно уменьшаться как 1/T. 93 \end{align}
Подробнее о модели удельной теплоемкости Дебая
http://electrons.wikidot.com/debye-model-for-specific-heat
Полупроводники при низкой температуре могут вызывать эффект фононного увлечения, обеспечивает термоэлектрическую мощность до нескольких милливольт на градус. Для металлов «кажется маловероятным, что эффект фононного увлечения когда-либо превысит примерно 10 мкВ/градус, хотя когда и если это происходит при низкой температуре (скажем, около 10⁰K), это значение становится чрезвычайно большим по сравнению с обычным («диффузионным» ) термоэлектрическая энергия».
Форма поверхности Ферми металла по отношению к структуре первой зоны Бриллюэна металла предоставит подробную информацию об угловых характеристиках рассеяния.
