Elemento peltier

Un elemento Peltier es un dispositivo eléctrico que, bajo la influencia de una corriente eléctrica, genera una diferencia de temperatura en los sitios de trabajo. El principio de acción es el efecto opuesto de Seebeck. Cabe destacar que se acepta llamar a los terminales de unión del termopar, así como a la unión real de metales en el lugar sensible del sensor. No debe dejarse engañar, los extremos generalmente están conectados al circuito de medición y no se tocan.

Efectos de la termoelectricidad

El 21 de julio de 1820 se considera un punto de inflexión en el desarrollo de la historia: Oersted decidió publicar sus observaciones sobre el efecto del cable portador de corriente en la orientación de la aguja magnética en el espacio. Otros descubrimientos siguen una sucesión, nos interesa la invención del primer galvanómetro. El fabricante, Schweigger, denominó al dispositivo un multiplicador por su capacidad para multiplicar el resultado de la acción de varias vueltas de cable que llevan corriente en una aguja magnética. Debido a esto, un año después( 1821), un físico de origen estonio, Seebeck, descubrió la termoelectricidad. Es bien sabido que lo que sucedió le sucedió a George Ohm cinco años después para obtener una ley mundialmente famosa.

La literatura dice que Seebeck utilizó un solenoide con numerosas vueltas de cable y una aguja magnética como detector. La historia es silenciosa, ya que el pico de bismuto-antimonio golpeó al científico, pero cuenta que el científico conectó el tándem como una fuente de energía y vio las oscilaciones de la brújula constantemente cuando tomó el termopar en sus manos. Probablemente estuvo cerca del descubrimiento de sus propias habilidades sobrenaturales, pero como resultado se llegó a la conclusión de que el calor de las manos era el culpable. Grandes resultados, ha logrado el científico, utilizando una lámpara de iluminación como fuente de calor.

Seebeck malinterpretó el resultado del experimento, llamando a la polarización magnética de descubrimiento: al cambiar el punto de calentamiento al otro extremo, se cambió la dirección de la desviación de la flecha. Como resultado, se construyó la teoría errónea. Comenzaron a afirmar que la temperatura hace posible obtener directamente propiedades magnéticas, y el campo de la Tierra se debe a la actividad de los volcanes. Georg Ohm, poco después del descubrimiento descrito, aplicó un termo-emf para derivar una ley conocida, y en 1831 se utilizó una fuente similar en los experimentos de electrólisis.

El valor del termo-emf es pequeño. Generalmente decenas de mV.Si quieres encontrar un valor específico, usa las tablas. El platino es el punto de referencia para las temperaturas en el rango climático de la Tierra. Las tablas contienen el valor de termo-emf para los termopares del metal especificado y el estudiado: chromel, alumel, copper, iron. Los valores son positivos y negativos. Por ejemplo, para el antimonio es de +4.7 mV, y para el bismuto - menos 6.5.Los valores se suman y queda claro que cuando la diferencia de temperatura en los extremos de un par de 100 grados EMF se forma a 12.2 mV.Georg Om intentó crear condiciones similares sumergiendo el primer extremo en hielo y el segundo en agua hirviendo.

Las tablas de referencia a veces contienen muchos valores. Por ejemplo, para diferentes temperaturas en incrementos de 100 grados. Entonces es posible calcular los valores para cada uno, pero también con la sustitución de cero para cualquiera de las temperaturas especificadas. Se toma la diferencia entre el valor mayor y menor. Para termopares individuales a una cierta temperatura, la dirección del termo-emf cambia a la opuesta. Por ejemplo, para el cobre y el hierro, el punto límite será de 540 grados Celsius.

Efecto Peltier

El Efecto Peltier se llama reflexión de espejo de la termoelectricidad. En este caso, la corriente transfiere calor desde el primer extremo del termopar al segundo. Y con un cambio de dirección y el lado calentado gira al contrario. El efecto fue descubierto en 1834, habiendo sido mal interpretado. Solo 4 años después, el “compatriota” Lenz logró congelar y evaporar una gota de agua usando un termopar. En cada caso, la corriente mostraba su propia dirección.

El efecto se explica simplemente en la física moderna. Supongamos que hay dos semiconductores diferentes con el mismo tipo de conductividad. Los electrones en cada uno adquieren un valor diferente de energía, y los niveles en ambos casos están cerca. Ahora imagine que la corriente eléctrica comenzó a transferir cargas de un medio a otro.¿Qué pasará?Los electrones con alta energía, al estar en un ambiente de niveles bajos, darán una cantidad adicional a la red cristalina, produciendo calentamiento. Por el contrario, si la energía no es suficiente, se transferirá desde la red cristalina, lo que provocará el enfriamiento de la unión.

Si el tipo de conductividad de los semiconductores en un termopar no es el mismo, el efecto se explica de manera diferente. Un electrón que entra en el material p ocupa el lugar de un orificio( portador de carga positiva) en el nivel de energía. Como resultado, pierde la energía cinética del movimiento y la diferencia entre el estado actual y el pasado. La cantidad liberada va a la formación de portadores libres en ambos lados de la unión pn. El resto se reporta a la red cristalina de la que procede el calentamiento. Si la energía en el momento inicial es menor, comenzará el enfriamiento de la unión. Los medios de recombinación son rellenados por la fuente de alimentación.

La cantidad de calor liberado o absorbido es proporcional a la carga que pasa a través del conductor. El coeficiente en la fórmula de dependencia lineal se llama Peltier. Se introduce un valor similar para la termoelectricidad, llamado así por Seebeck. De la fórmula se deduce que la cantidad de calor liberado, en contraste con el efecto Joule-Lenz, es proporcional al primer grado de corriente eléctrica( determinación de la carga transferida).

Efecto Thomson

Basado en los coeficientes de Seebeck y Peltier, Lord Kelvin( Thomson) predijo un nuevo efecto en 1856: el conductor calentado en el centro se enfría por un lado y pasa por el otro. Los datos teóricos se confirman empíricamente, abriendo el camino para la creación de tecnología climática y otras cosas.

La idea de Lord Thomson: si hay un gradiente de temperatura a lo largo del conductor( ver Campo eléctrico), el calor comenzará a fluir cuando fluya la corriente. Este dispositivo funciona según el principio de la bomba de calor. La potencia transportada es proporcional al gradiente: cuanto más pronunciado es el gráfico de los cambios de temperatura a lo largo de la longitud del conductor, mayor es el efecto térmico que se manifiesta.

El coeficiente de proporcionalidad en la fórmula lleva el nombre de Thomson y está asociado con la termoelectricidad y los coeficientes de Peltier. Arriba, los autores dieron explicaciones de acuerdo con la teoría cinética( microscópica), que opera con niveles de estados de energía de los portadores de carga. Lord Kelvin se adhirió al concepto termodinámico( macroscópico), donde se tienen en cuenta los flujos y fuerzas globales. Esta distinción se aplica a muchas ramas de la física. Por ejemplo, la ley de Ohm para una sección de cadena puede considerarse como una variante de una visión termodinámica de las cosas.

llamado y similitudes. En el concepto termodinámico, las siguientes constantes se aplican de forma masiva: el habla sobre el coeficiente de conductividad térmica( ley de Fourier) y la conductividad isotérmica( ley de Ohm).

Consecuencias de

Varias leyes útiles relacionadas con el tema en discusión:

1. En un circuito cerrado de un material homogéneo debido a la temperatura, la corriente eléctrica no puede mantenerse. Esta declaración lleva el nombre del físico alemán Magnus. A veces referido como la ley de una cadena homogénea.
2. La ley de los metales intermedios establece que la suma algebraica del termo-emf de un circuito cerrado que consiste en cualquier número de segmentos de materiales conductores heterogéneos es cero siempre que la temperatura de las secciones sea la misma.

Uso de efectos termoeléctricos y electrotérmicos

Durante mucho tiempo, el efecto termoeléctrico directo e inverso no encontró aplicación, el valor útil resultó ser demasiado pequeño. Gradualmente, los físicos han creado aleaciones cuyas propiedades se superponen a los metales puros utilizados por Peltier y Lenz en dos órdenes de magnitud. Ahora se aplica la termoelectricidad. Recuerde el termostato del refrigerador o los refrigeradores termoeléctricos sin partes móviles. La industria espacial es mucho más interesante, cuando el fenómeno se utiliza para enfriar los fotorresistores: cuando la temperatura desciende solo 10 grados, la sensibilidad de estos sensores aumenta en un orden de magnitud.

Una ventaja adicional de las soluciones técnicas descritas es la compacidad y el bajo consumo de energía: con un peso de 150 g, la unidad enfría el termistor entre 50 y 60 grados. En la electrónica de consumo, el efecto Peltier admite el modo normal de los procesadores en la unidad del sistema de las computadoras personales. Sí, vale la pena, la solución técnica no es barata, pero el ruido está garantizado. Por ejemplo, los entusiastas de los refrigeradores de diseño de 2010 en el hogar. La alta eficiencia no se puede lograr debido a grandes pérdidas a través del cuerpo. Pero con la llegada de nuevos materiales de construcción aislantes, las cosas mejorarán.

Curiosamente, cuando cambia la dirección de la corriente eléctrica, el efecto comienza a funcionar en la dirección opuesta. El calentamiento es posible. Sobre la base de los efectos descritos, se crean termostatos que controlan la temperatura hasta las milésimas de grado. Entre las áreas prometedoras celebran los acondicionadores de aire domésticos y otros sistemas de refrigeración. La desventaja más notable es el precio. Y no debemos olvidar que la eficiencia del aire acondicionado, por regla general, es superior a 1, esta unidad funciona según el principio de una bomba de calor. Deje que la eficiencia disminuya drásticamente al aumentar la temperatura ambiente, mientras que los termopares están muy por detrás del método de enfriamiento tradicional con su 10%.

Expresar otras opiniones. El académico Ioffe, cuyas máximas se utilizan en el tema anterior, propuso crear sistemas para calentar y enfriar salas como sistemas divididos. En este caso, surge una complicación, como ocurre con los acondicionadores típicos, pero la eficiencia alcanza el 200%.Significado: durante el calentamiento, por ejemplo, una unión de absorción de calor se coloca en el exterior y la unión en evolución se coloca en el interior. No es fácil sacar el calor del frío, porque la técnica tiene limitaciones. Sin embargo, no está prohibido crear bombas de calor sobre la base de esta metodología.

Las ventajas incondicionales de los sistemas climáticos que utilizan el elemento Peltier incluyen la capacidad de trabajar en la dirección opuesta. En verano, la estufa tendrá aire acondicionado. Solo es necesario cambiar la dirección del flujo de corriente. Conocidos desarrollos opuestos, diseñados para convertir el calor solar en energía eléctrica. Pero mientras que tales diseños se hacen sobre la base de silicio, y no hay lugar para los termopares.

Materiales para crear termopares

Obviamente, los metales convencionales no son adecuados para crear sistemas potentes. Requiere un par de potencia de 100 µV a 1 grado. En este último caso, se logra una alta eficiencia. Los materiales son aleaciones de bismuto, antimonio, teluro, silicio, selenio. Las desventajas de los componentes incluyen la fragilidad y la temperatura de operación relativamente baja. La baja eficiencia agrega limitaciones, pero con la introducción de la nanotecnología existe la esperanza de que se supere el marco habitual. Los científicos de áreas prometedoras denominan el desarrollo de una base de semiconductores fundamentalmente nueva con propiedades verdaderamente únicas, incluido el valor exacto de los niveles de energía de los materiales.