Термоэлектрический эффект пельтье. Эффект Пельтье: принцип работы, применение и перспективы термоэлектрического охлаждения

Что такое эффект Пельтье и как он работает. Где применяется термоэлектрическое охлаждение на основе эффекта Пельтье. Каковы преимущества и недостатки термоэлектрических модулей Пельтье. Какие перспективы у технологии термоэлектрического охлаждения.

Что такое эффект Пельтье и как он был открыт

Эффект Пельтье — это термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух разнородных проводников. Данный эффект был открыт французским физиком Жаном Шарлем Атаназом Пельтье в 1834 году.

Пельтье обнаружил, что при пропускании электрического тока через цепь из двух разных металлов один из спаев нагревается, а другой охлаждается. Важно отметить, что нагрев и охлаждение спаев происходят не за счет выделения джоулева тепла, а являются результатом переноса тепла с одного спая на другой.

Ключевые факты об открытии эффекта Пельтье:

• Открыт в 1834 году французским физиком Жаном Пельтье
• Является обратным эффектом Зеебека, открытого в 1821 году
• Проявляется на контакте (спае) двух разнородных проводников
• Приводит к выделению или поглощению тепла при прохождении тока
• Не связан с выделением джоулева тепла

Физические основы эффекта Пельтье

Эффект Пельтье возникает из-за различия в энергетических характеристиках носителей заряда в разных проводниках. При переходе носителей заряда через контакт происходит изменение их энергии, что приводит к поглощению или выделению тепла.

Основные физические процессы, лежащие в основе эффекта Пельтье:

1. Различие в работе выхода электронов из разных материалов
2. Изменение средней энергии носителей заряда при переходе через контакт
3. Поглощение или выделение тепла для компенсации изменения энергии носителей
4. Перенос тепла носителями заряда с одного спая на другой

Количество выделяемого или поглощаемого тепла пропорционально силе тока и разности коэффициентов Пельтье материалов. Направление теплового потока зависит от направления электрического тока.

Принцип работы термоэлектрического модуля Пельтье

Термоэлектрический модуль Пельтье состоит из множества пар полупроводниковых элементов n- и p-типа, соединенных последовательно с помощью металлических перемычек. При пропускании постоянного тока через модуль одна его сторона охлаждается, а другая нагревается.

Основные компоненты термоэлектрического модуля Пельтье:

• Полупроводниковые термоэлементы n- и p-типа
• Металлические коммутационные пластины
• Керамические теплопроводящие пластины
• Термопаста для улучшения теплового контакта

При прохождении тока носители заряда переносят тепло с холодной стороны модуля на горячую, создавая разность температур. Эффективность охлаждения зависит от свойств используемых полупроводниковых материалов и конструкции модуля.

Применение эффекта Пельтье в различных областях

Термоэлектрические модули на основе эффекта Пельтье нашли широкое применение в различных областях науки и техники благодаря своим уникальным свойствам. Они позволяют создавать компактные системы охлаждения без движущихся частей и хладагентов.

Основные сферы применения термоэлектрических модулей Пельтье:

• Охлаждение электронных компонентов (процессоров, лазеров и др.)
• Портативные холодильники и системы кондиционирования
• Термостабилизация прецизионных приборов и датчиков
• Медицинское оборудование (охлаждение тканей, криохирургия)
• Системы охлаждения в космической технике

Благодаря отсутствию движущихся частей модули Пельтье обладают высокой надежностью и длительным сроком службы. Это делает их незаменимыми в ответственных применениях, где требуется прецизионный контроль температуры.

Преимущества и недостатки термоэлектрического охлаждения

Термоэлектрическое охлаждение на основе эффекта Пельтье имеет ряд уникальных преимуществ по сравнению с традиционными методами охлаждения. Однако у этой технологии есть и определенные ограничения, которые необходимо учитывать при проектировании систем.

Основные преимущества термоэлектрического охлаждения:

• Отсутствие движущихся частей и хладагентов
• Компактность и малый вес
• Высокая надежность и длительный срок службы
• Возможность прецизионного контроля температуры
• Быстрый выход на рабочий режим
• Возможность работы в любом пространственном положении

Основные недостатки термоэлектрического охлаждения:

• Относительно низкий КПД (особенно при больших перепадах температур)
• Ограниченная холодопроизводительность
• Необходимость эффективного отвода тепла с горячей стороны
• Высокая стоимость при больших мощностях охлаждения
• Риск конденсации влаги на холодной стороне

Несмотря на определенные ограничения, уникальные свойства термоэлектрического охлаждения делают его незаменимым во многих специализированных применениях, где традиционные методы охлаждения неприменимы.

Перспективы развития термоэлектрического охлаждения

Технология термоэлектрического охлаждения на основе эффекта Пельтье продолжает активно развиваться. Ведутся исследования новых термоэлектрических материалов и конструкций модулей для повышения эффективности и расширения областей применения.

Основные направления развития термоэлектрического охлаждения:

• Разработка новых высокоэффективных термоэлектрических материалов
• Создание наноструктурированных термоэлектрических элементов
• Оптимизация конструкции модулей для повышения КПД
• Интеграция термоэлектрических модулей в микроэлектронные устройства
• Создание гибридных систем охлаждения с использованием эффекта Пельтье

Повышение эффективности термоэлектрических модулей позволит расширить сферу их применения и создать новые классы устройств с уникальными возможностями управления тепловыми потоками.

Сравнение эффекта Пельтье с другими термоэлектрическими эффектами

Эффект Пельтье является одним из трех основных термоэлектрических эффектов, наряду с эффектом Зеебека и эффектом Томсона. Эти эффекты тесно связаны между собой и описывают различные аспекты взаимодействия тепловых и электрических явлений в проводниках.

Основные термоэлектрические эффекты и их особенности:

• Эффект Зеебека — возникновение ЭДС в цепи из разнородных проводников при наличии разности температур
• Эффект Пельтье — выделение или поглощение тепла при прохождении тока через контакт разнородных проводников
• Эффект Томсона — выделение или поглощение тепла при прохождении тока по однородному проводнику с градиентом температуры

Все три эффекта связаны между собой термодинамическими соотношениями, установленными Уильямом Томсоном (лордом Кельвином). Понимание взаимосвязи этих эффектов важно для создания эффективных термоэлектрических устройств.

Практические аспекты применения термоэлектрических модулей Пельтье

При проектировании систем с использованием термоэлектрических модулей Пельтье необходимо учитывать ряд практических аспектов для обеспечения их эффективной и надежной работы. Это включает в себя правильный выбор модуля, организацию теплоотвода, оптимизацию режимов работы и защиту от неблагоприятных факторов.

Ключевые аспекты применения термоэлектрических модулей:

• Выбор модуля с учетом требуемой холодопроизводительности и условий эксплуатации
• Обеспечение эффективного теплоотвода с горячей стороны модуля
• Оптимизация рабочего тока для достижения максимальной эффективности
• Защита от конденсации влаги на холодной стороне
• Обеспечение надежного электрического и теплового контакта
• Использование систем управления для оптимизации режимов работы

Правильный учет этих факторов позволяет создавать высокоэффективные и надежные системы термоэлектрического охлаждения для различных применений.

Основы термоэлектрического эффекта

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, уроженец г. Ревеля (в настоящее время г. Таллин), Зеебек (Seebeck) Томас Иоганн (1770-1831). 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. Зеебек обнаружил, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи этой цепи, поворачивалась так же, как в присутствии магнита. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи. В физике данное явление известно, как «эффект Зеебека».

Однако, несмотря на то, что двумя годами ранее в 1820 году Эрстед (Ersted) Ханс Кристиан (1777-1851), доказал влияние электрического тока на магнитную стрелку, а вслед за этим работами Ампера, Био, Савара, Лапласа и других ученых было детально исследовано взаимодействие электрических токов и магнитных полей, Зеебек категорически отрицал электрическую природу данного явления. Как видно из названия статьи, его объяснение сводилось к намагничиванию материалов под воздействием разности температур. Интересно, что по его гипотезе весь земной шар представлял собой подобие гигантской цепи, в которой разница температур поддерживается полюсами холода и высокотемпературной экваториальной частью планеты. По крайней мере, именно в этом Зеебек усмотрел природу земного магнетизма.

Первым, кто употребил термин «термоэлектрическое явление» был Х. Эрстед, внимательно следивший за работами Зеебека. Однако, сам Зеебек настаивал на другой формулировке — «термомагнетизм».

Зеебек накопил огромный экспериментальный материал по изучению цепей из комбинаций твердых, жидких металлов, сплавов и соединений при воздействии на них разных температур. Это позволило ему создать термоэлектрический ряд, который до сих пор представляет интерес и не сильно отличается от рядов, составленных гораздо позднее Юсти (1948 г.) и Мейснером(1955 г.).

Через 12 лет (1834 г.) после открытия Зеебека был открыт «эффект Пельтье». Этот эффект является обратным «эффекту Зеебека». Суть «эффекта Пельтье» состоит в том, что при прохождении тока на границах дух разных проводников происходит на одном конце поглощение тепла, а на другом его выделение.

Открыл это явление французский физик, метеоролог Пельтье (Peltier) Жан Шарль Атаназ (1785-1845). Кстати, увлечение физикой было своего рода хобби этого человека. Ранее он работал часовщиком фирмы А.Л. Бреге, но благодаря полученному в 1815 г. 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 г. 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.

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. Эффект Томсона заключается в переносе теплоты током, протекающим через однородный материал, в котором создан градиент температуры. Количество переносимой теплоты пропорционально величине этого градиента и силе протекающего тока.

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 один ряд с первооткрывателями термоэлектрических явлений необходимо поставить и выдающегося советского ученого — физика, академика Абрама Федоровича Иоффе (1880-1960). Благодаря работам А.Ф. Иоффе, которые он проводил с начала 30-х годов XX столетия, была заложена основа развития современной термоэлектрической энергетики.

Компания «Экоген» является продолжателем традиций, заложенных школой академика А.Ф. Иоффе. За последнее десятилетие научные специалисты и инженеры нашей компании сделали серьезный шаг вперед на пути создания высокоэффективных термоэлектрических материалов и систем охлаждения и генерации электроэнергии на их основе. В настоящее время спектр практического применения термоэлектричества неуклонно расширяется. 

Компания «Экоген» уверена в том, что будущее за термоэлектрическими, экологически чистыми охлаждающими системами и источниками электроэнергии.

Эффект Пельтье — frwiki.wiki

Для одноименных статей см Пельтье .

Эффект Пельтье — это термоэлектрический эффект, состоящий из физического явления теплового смещения в присутствии электрического тока . Эффект возникает в проводящих материалах разной природы, соединенных переходами (контактами). Одно соединение при этом немного охлаждается, а другое нагревается. Этот эффект был открыт в 1834 году физиком Жан-Шарлем Пельтье .

Резюме

• 1 Определение
• 2 Теория
• 3 Приложения
• 4 Взаимный эффект: эффект Зеебека
• 5 Примечания и ссылки
• 6 См. Также
  • 6.1 Связанные статьи

Определение

На рисунке напротив показана основная термоэлектрическая схема.

Две проводящие материалы различной природы а и б соединены двумя переходами в X и W. В случае эффекта Пельтье, электрический ток накладывается на цепь, например, путем размещения электрического тока источника между Y и Z, в результате чего в тепловыделении на одном переходе и поглощении тепла на другом переходе. Коэффициент Пельтье, относящийся к паре материалов a и b, определяется как тепловая мощность, выделяемая или поглощаемая на единицу силы тока . Выражается в вольтах. я{\ displaystyle I} Q{\ displaystyle Q}п{\ displaystyle P}я{\ displaystyle I}

Тогда Π _ab определяется следующим образом:

Πвбзнак равнопя{\ displaystyle \ Pi _ {ab} = {\ frac {P} {I}} \,}

Если приложенный ток в направлении Y → W → X → Z вызывает выделение тепла в W и поглощение в X, то Π _ab положительно.

Теория

Эффект Пельтье связан с переносом энтропии носителями заряда ( электронами или дырками ) внутри материала. Таким образом, когда на схематической диаграмме выше показано поглощение тепла в X и выделение в W, это связано с тем, что электроны или дырки теряют энтропию при переходе от материала

b к материалу a в W (следовательно, происходит выделение тепла), в то время как они взаимно восстанавливают энтропию при переходе от материала a к материалу b в X (следовательно, происходит поглощение тепла), поскольку существует сохранение энергии, это первый принцип термодинамики .

Приложения

Схема ячейки эффекта Пельтье.

В области микроэлектроники термоэлектричество используется для рассеивания тепла компонентов за счет использования компонентов с эффектом Пельтье для управления отходящим теплом.

Эффект Пельтье используется в качестве холодильной техники . Он используется в областях, где требуется высокая точность и надежность: исследования, космос, армия и  т. Д. , или в более распространенных приложениях, таких как кулеры .

Взаимный эффект: эффект Зеебека

Можно отметить, что существует противоположное явление: разница температур между двумя переходами W и X может вызвать разницу в электрическом потенциале, это эффект Зеебека .

Лорд Кельвин показал, что эффекты Пельтье и Зеебека связаны, и что коэффициент Пельтье связан с коэффициентом Зеебека S соотношением:

Πвбзнак равноSвбТ{\ Displaystyle \ Pi _ {ab} = S_ {ab} T \,}

где T — температура (в Кельвинах ) рассматриваемого перехода.

Это свойство используется для измерения температуры в промышленной среде с помощью термопар.

Обратный эффект позволяет индуцировать электрический ток во время перемещения тепла в этом узле, поскольку теплопроводность не происходит с одинаковой скоростью между двумя проводниками, а носители заряда (которые также являются носителями тепловой энергии) движутся быстрее. в одном направлении, а не в другом, что вызывает разность зарядов, достаточную, чтобы вызвать разность потенциалов для подачи электрического тока. Это позволяет сделать электрическую батарею питаемой даже от очень небольшого источника тепла (например, тепла человеческого тела), но достаточного, чтобы зажечь фонарик.

Но также существуют промышленные применения, которые позволяют утилизировать в термоэлектрических генераторах часть остаточного тепла на электростанциях или в паровых градирнях атомных электростанций для производства дополнительной электроэнергии, в то время как давление пара n недостаточно для механического турбины электрогенераторов. Однако рекуперация этого тепла более эффективна в воде, которая все еще достаточно горячая для конденсации пара.

Однако этот процесс намного менее эффективен, чем с термомеханическими турбинами, потому что диэлектрики имеют высокий выходной импеданс, а при больших генерируемых токах большая часть произведенной энергии будет снова рассеиваться в виде тепла за счет эффекта Джоуля. Однако этот метод позволяет в настоящее время использовать такие термоэлектрические генераторы для выработки очень малых токов, а затем они используются в качестве высокоточных датчиков измерения температуры, подключенных к усилителям мощности, что позволяет снизить генерируемый ток практически до нуля. индуцированное напряжение. Такие датчики используются, например, в энергоемких электронных компонентах (таких как микропроцессоры), чтобы быстро регулировать их температуру с помощью динамической обратной связи по их рабочей частоте.

Примечания и ссылки

1. ↑ ^{a b c и d} Морис Герль и Жан-Поль Исси, Физика материалов, т.  8, Лозанна, Политехнические прессы и романские университеты, сб.  «Трактат о материалах»,1997 г., 701  с. ( ISBN  978-2-88074-311-6, читать онлайн ), стр.  408.
2. ↑ (in) «  Термоэлектрический технический справочник — Математическое моделирование модулей ТЭО  » на ferrotec.com .
3. ↑ См. Аджиткумар Н. Никам и Джитендра А. Хоул, «  Обзор использования эффектов Пельтье  », ПРАТИБА: Международный журнал науки, духовности, бизнеса и технологий (IJSSBT), том.  2 п ^о  2Май 2014 г. ( ISSN  2277-7261, читать онлайн [PDF] )

Смотрите также

Статьи по Теме

• Противоположный эффект: эффект Зеебека, термопара.
• Синтез двух эффектов: эффект Томсона.
• В более общем плане: термоэлектричество

Термоэлектричество
Принципы	Термоэлектрические эффекты Эффект Зеебека Эффект Пельтье Эффект Томсона Уравнение Нернста
Приложения	Термопара Охлаждение Термобатарея Генератор радиоизотопов Многоцелевой

<img src=»https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1×1″ alt=»» title=»»>

Эффект Пельтье | Определение, открытие и факты

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Спросить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Эффект Томсона | физика | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Британника делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.