Эффект Пельтье - Физика - Физические законы - Каталог файлов - Портал радиолюбителей DIOD Схемы, Устройства, Книги
Воскресенье, 22 Январь 2017, 13:10
Меню сайта
Доп. меню
Каталог схем
Категории раздела
Физика [6]
Законы по физике
Химия [0]
Законы по химии.
Статистика
Вы вошли как
Гость
Группа
Гости
Ваш IP
54.147.253.45
Ваш браузер


Узнать больше

Сейчас на сайте
Онлайн всего: 3
Гостей: 3
Пользователей: 0

Праздники
Праздники сегодня и завтра
Наши книги




Книга добавлена:
07 Март 2010
5368
Электроника
Электронные схемы для «умного дома»

Книга добавлена:
24 Январь 2010
2802
Электроника
Схемы для дома

Книга добавлена:
23 Октябрь 2010
2358
Справочники
Электронные компоненты. Sharp. LCD, ИМС, оптоэлектроника

Книга добавлена:
03 Март 2010
2262
Электроника
Энциклопедия электронных схем. Том 6. Часть II. Книга 5

Книга добавлена:
21 Август 2010
3969
Справочники
Условные обозначения в отечественных и зарубежных электрических схемах


Главная » Файлы » Физические законы » Физика

Эффект Пельтье
04 Январь 2010, 15:57
Эффект Пельтье



Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье (1785-1845 г.) в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками. В ходе эксперимента он 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 1838г Ленцем (1804-1865 г.).

В своём опыте Ленц эксперементировал 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 установленно, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом - поголщается. Данное явление было названо эффектом Пельтье (противоположным эффекту Зеебека).

Эффект Пельтье́ — 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 тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:

dQ12 = P12Idt = − dQ21
Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт идёт 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.

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler). Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.



Принцип действия

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), 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). Протекающий 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.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.

Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Кроме того элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Применение

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, 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 приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

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 (до −80 для одностадийних холодильников и до −120 для двухстадийных).


Сущность эффекта




Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контакной 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.

Уже в 20 веке было выясенно, что эффект Пельтье значительно сильнее проявляется при соединении полупроводников разных типов. В зависимости от направления протекания электрического тока через p-n- и n-p- переходы вследствии взаимодействия заряов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации, энергия либо поглощается, либо выделяется. В связи с этим полголощается или вылеляется тепло. Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы - модули Пельтье сравнительно большой мощности.

Техническая реализация Пельтье эффекта в полупроводниках



Основным технологическим узлом всех термоэлектрических охлаждающих устройств является термоэлектрическая батарея, набранная из последовательно соединенных термоэлементов. Так как металлические проводники обладают слабыми термоэлектрическими свойствами, термоэлементы делаются из полупроводников, причем одна из ветвей термоэлемента должна состоять из чисто дырочного (р-тип), а другая из чисто электронного (n-тип) полупроводника.

Если выбрать такое направление тока, при котором на контактах, расположенных внутри холодильника тепло Пельтье будет поглощаться, а на наружных контактах выделяться в окружающее пространство, то температура внутри холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника нагреваться (что происходит при любой конструкции холодильника).

Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20С до 200С; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.




Категория: Физика | Добавил: Volt | Теги: Эффект Пельтье
Просмотров: 9194 | ID материала: 51 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 2.0/2
Всего комментариев: 1
1  
Формула,  согласно  которой  количество  поглощённой  ( выделенной) на  переходе теплоты  зависит  от  свойств  контактируемых  материалов,  величины  проходящего  тока  и  времени.  НЕ ВЕРНА. Год  назад  проделал многократно  и  в  разных  вариантах  простенький  опыт- от  ломаного  блока  Пельтье  взял  два  разнородных  полупроводника,  прижал и  пропустил  ток  200 мА, так,  чтобы  на  контакте  проходило  охлаждение,  через  120 секунд  произвёл  съёмку  тепловизором,  затем  поставил  в  цепь  резистор  100 ом  и увеличил  напряжение,  чтобы  вновь  установить  ток  200 мА, через 120  секунд  произвёл  съёмку  тепловизором. Во  втором  случае понижение  температуры  было более  значительным, на 3 -4 градуса, и  даже  при  намеренной  установке  меньшего  тока  180 мА,  охлаждение  все  равно  было  значительнее.

Имя *:
Email *:
Код *:




Корзина
Ваша корзина пуста
Поиск по сайту
Для корректного поиска вводите в поисковую форму не более 20-25 символов.


Форма входа
Наш опрос
Какой микроконтроллер используйте Вы?
Всего ответов: 400
Рекомендуем
Полезно знать!

Распространённое мнение о безопасности тока силой менее 100 миллиампер — опасное заблуждение.

Советуем посетить

Пользователю
Почта на Майл.ру
Поисковик Google
Поисковик Yandex
Энциклопедия Википедия
Погода на Гисметео

Радиолюбителю
Паяльник
Электронный портал
Сервер радиолюбителей
РадиоКОТ

Поддержка сайта

Вы можете поддержать сайт напрямую через наши платежные реквизиты

WebMoney
Z355095169785
R218396818010
E144063919939

Все средства полученные от пользователей сайта будут использованы исключительно для поддержки и дальнейшего развития сайта.
Популярные схемы
1
Блоки питания
Простой импульсный блок питания 200 Вт
Просмотры: 79385
2
Схемы на МК
Вольтметр на микроконтроллере AVR
Просмотры: 43822
3
Схемы на МК
Микропроцессорный импульсный металлоискатель (с печатной платой)
Просмотры: 43512
4
Блоки питания
Лабораторный БП
Просмотры: 34477
5
Схемы на МК
Термометр меньше не бывает на Attiny2313
Просмотры: 32500
6
Преобразователи UPSы
Преобразователь 12-220В для питания ЛДС из компьютерного БП
Просмотры: 31648
7
Преобразователи UPSы
Преобразователь питания на MC34063
Просмотры: 30098
8
Программаторы
Самодельный программатор-отладчик PICkit 2
Просмотры: 28692
9
Схемы на МК
mp3 плеер на картах памяти
Просмотры: 28425
10
Схемы на МК
Простой цифровой вольтметр ch-c3200
Просмотры: 26423
Друзья и партнеры






Популярный Soft
1
Радиолюбительский софт
Pony Prog 2000
Просмотры: 20765
2
Радиолюбительский софт
Sprint-Layout 5.0 RUS (Portable)
Просмотры: 16373
3
Радиолюбительский софт
Electronics Workbench 5.12
Просмотры: 13341
4
Справочники
Аналоги микросхем
Просмотры: 13025
5
Радиолюбительский софт
Crocodile Technoy 3D v609
Просмотры: 12347
Счетчики сайта




Рейтинг Сайтов YandeG

Вся статистика общедоступна

Ошибки и опечатки
Система Orphus
Каталогизация схем, книг, программ по электронике и электротехнике.
Портал радиолюбителей DIOD © 2009 - 2017