Peltier effect

Peltier-effect - een proces dat gepaard gaat met het optreden van een temperatuurverschil aan de beide verschillende materialen door elektrische stroom door hen. Voor het eerst verklaard door academicus en uitvinder Lenz.

dank

We kunnen niet negeren dankbaarheid USSR Academy of Sciences en academicus AF Joffe voor het grote werk aan de ontwikkeling van thermoelectricity in de Sovjet-Unie en het brengen van de onderzoeksresultaten aan het publiek.

toepasselijkheid

Peltier-effect wordt gebruikt voor het koelen, verwarmen kan elke geleider door het Joule-Lenz. Dus het verschijnsel bruikbaar:

1. Om een ​​low-voltage DC en koelkasten te creëren. Met de mogelijkheid van verwarmingsvermogen bij het wisselen van de polariteit. In het westen, zo aangelegde weg sandvichennitsy. De koude houdt het product bederven, omgekeerde polariteit maakt het mogelijk om het product te leggen aan de tafel warm.
2. Coolers processors leveren een belangrijke bijdrage aan de totale geluidsoverlast prestaties van het systeem unit. Als je ze te vervangen door Peltier-elementen, soms totaal gebrek van de ventilator. Hij ritselt niet zozeer het lichaam wordt beroofd van een krachtige radiator en de vaststelling van betrouwbare (in tegenstelling tot het moederbord materiaal).
   instagram viewer

De ontwikkeling van de theorie van koelen

Peltier effect is niet trok de aandacht van wetenschappers, leek het nutteloos. Geopend in 1834, het verzamelen van stof op wetenschappelijke bibliotheken meer dan een eeuw voordat de planken, in plaats van staal om de eerste belangrijke technische oplossingen op dit gebied. Bijvoorbeeld, Altenkirch (1911) vermeld onmogelijkheid de Peltier effect koelsystemen gebruikt in de berekening is gebaseerd op het gebruik van zuivere metalen, legeringen en halfgeleiders plaats.

De misvatting van de conclusies van de Duitse wetenschapper later bevestigd, wat grote rol voor het laboratorium van de Academie van Wetenschappen van halfgeleiders. 1950, vastgesteld coherente theorie, waardoor een verdere aantal jaren op de eerste elektrothermische koelkast creëren. Met een relatief kleine rendement van 20% verlaagt de temperatuur van de inrichting bij 24 graden, die in de meeste gevallen voldoende voor huishoudelijk gebruik. Jaren later, de temperatuur verschil was al 60 graden.

Natuurkundige '50 werd Peltier-element geacht de machine met Freon plaats van het elektronengas. Het uitgevoerd in overeenstemming met dit systeem overweging. De belangrijkste parameter - koelen efficiency, de verhouding van de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid in het spruitstuk om de kracht die wordt besteed aan. Modern freon airconditioners en koelkasten cijfer groter is dan één. In 50-er jaren van de Peltier-element amper 20%.

De ingang van het standpunt van de thermodynamica

Peltier effect wordt beschreven laten zien hoeveel energie wordt overgedragen op een bepaalde waarde van de elektrische stroom. Expressie in tijdseenheden zijn voeding apparaten, die wordt bepaald op basis van de behoeften van de koelkast. Vandaag populaire geruisloos elementen Peltier koelers voor processors. Een kleine kristalplaat afkoelt en koelt de radiator koeler. Peltier-element dient als een warmtepomp, de warmte van de ontlading gegarandeerde CPU oververhitting voorkomen.

In de formule in de figuur zijn aangeduid alpha coëfficiënten thermo emf helften (componenten) van het element. T - werktemperatuur in graden Kelvin. Elk element is gewoonlijk side-Thomson effect als de stroom door de geleider stroomt, en langs de lijn een gradiënt (directioneel verschil) temperaturen worden in aanvulling op Joule, stand en andere hitte. Dit laatste is vernoemd naar Thomson. In sommige delen van de energieketen zal worden geabsorbeerd. Vandaar dat de Thomson effect heeft een sterke invloed op de werking van de kachels en koelkasten. Maar het is, zoals reeds vermeld, kant, vermist factor.

De warmte overgedragen door Thomson effect, het temperatuurverschil is recht evenredig met de geleider eindigt en afhankelijk van de vloeiende stroom. Het verschijnsel treedt alleen bij stoffen die duidelijke afhankelijkheid van de thermische emf temperatuur. In sommige berekeningen Thomson effect wordt geacht nul te zijn, het is dicht bij de waarheid. De thermodynamische theorie van het proces van terugkeer en selectie van warmte wordt beschouwd vanuit het gezichtspunt van twee warmtestromen:

• De warmteflux, een koeling oogsten splitsing gevolgd door twee parallelle processen verstrekkende:

1. Parasitaire warmte door Joule-Lenz. Thermodynamica, wordt aan de helft van het product van het kwadraat van de stroom naar de weerstand. De tweede helft valt op de warme las.
2. Het verwarmen van de warmtestroom uit een warm deel. Gelijk is aan het temperatuurverschil, te vermenigvuldigen met de totale thermische geleidbaarheid van het thermoelement takken.

• In de warme junctie zijn omgekeerde proces van de tweede trap (warmte weg aan het afgekoelde gedeelte uitgevoerd) en vergelijkbaar met de eerste - Joule warmte vrij.

Uit de formulering houdt in dat een effectieve oplossing voor de efficiëntie van de isolatie te maximaliseren tussen de knooppunten. Het paar gebruikte halfgeleiders, staat is een thermische elektromotorische kracht, elektrische stroom moet haar weerstand te overwinnen. Verbruikte energie is evenredig met de temperatuur en verschil in thermische emf stoffen coëfficiënten en is afhankelijk van de vloeiende stroom. Zijn grafieken van de bochten, en differentiëren ze met het oog op de extrema aanleiding kunnen geven tot maximaal temperatuurverschil (tussen een kamer en een koelkast) te ontvangen zijn.

De figuren tonen de resultaten van de afgeleide bewerking waarbij berekende optimale stroomsterkte voor de weerstand R en het thermokoppel voor verhogen koeleffect. Uit deze formules volgt dat de ideale machine zal gebeuren als:

• De geleidbaarheid van hetzelfde materiaal thermokoppel.
• De thermische geleidbaarheid van hetzelfde materiaal thermokoppel.
• De thermische elektromotorische kracht gelijk maar tegengesteld van teken.
• De doorsneden en lengten van onderdelen van dezelfde thermokoppel.

Om aan deze voorwaarden in de praktijk moeilijk te realiseren. In dit geval is de beperkende factor is de verhouding van de koelmiddeltemperatuur van de koude las van een temperatuurverschil. Recall, dit is de perfecte beschrijving van de machine, in werkelijkheid, maar toch onbereikbaar.

Hoe te optimaliseren chiller Peltier

Figuren zijn grafieken variabelen die de efficiëntie van de Peltier-elementen. Ten eerste blijkt - de thermo-emk coëfficiënt neigt naar nul naarmate dragerconcentratie. Hij herinnert eraan dat de metalen niet het beste materiaal in aanmerking komen voor het produceren van een thermokoppel. Thermische geleidbaarheid, integendeel, toeneemt. Thermodynamica, wordt aangenomen dat het is samengesteld uit twee componenten:

1. kristalrooster thermische geleidbaarheid.
2. Elektronische thermische geleidbaarheid. De component voor de hand liggende redenen onafhankelijk van de concentratie van vrije ladingsdragers en doet de groeicurve weergegeven in de grafiek. De thermische geleidbaarheid van het kristalrooster vrijwel gelijk blijft.

Onderzoekers in het product van het kwadraat van de thermische EMF van de elektrische geleidbaarheid. Deze waarde wordt in de teller van de uitdrukking voor de prestatiecoëfficiënt. Volgens extremum waargenomen bij een concentratie van vrije dragers in het bereik van 10 tot 19 graden eenheden per kubieke centimeter. Dit is drie ordes van grootte lager dan die waargenomen bij de zuivere metalen uit die onmiddellijk volgt geconcludeerd dat het ideale materiaal voor halfgeleiders Peltier elementen.

Het aandeel van het tweede bestanddeel een relatief lage beneden op de abscis, en men liet het materiaal nemen in dit interval. De elektrische geleidbaarheid van isolatoren te klein is, die de onmogelijkheid van het gebruik in deze context verklaart. Dit alles kunt u de reden waarom de bevindingen niet serieus Altenkirchen worden genomen vast te stellen.

Kwantumtheorie aangebracht op het Peltier-element

Thermodynamica niet mogelijk een nauwkeurige berekening, maar kwalitatief beschrijft het materiaalkeuze werkwijze voor de Peltier elementen. Om de situatie te verhelpen, natuurkundigen een beroep doen op de kwantumtheorie. Werkt op dezelfde waarden, uitgedrukt in de concentratie vrije ladingsdragers, de chemische potentiaal, de Boltzmann constante. Dergelijke theorieën worden gemaakt wordt ook wel kinetische (of microscopische), omdat het wordt beschouwd als een illusie en onbekende wereld van de kleine deeltjes. Onder de borden liggen:

1. l - gemiddelde vrije weglengte van de ladingsdragers. Het hangt af van de temperatuur. Het resultaat wordt bepaald door de exponent van het elektron verstrooiingsmechanisme r (voor atoomroosters is 0; ionogene en temperaturen beneden Debye - 0,5; boven Debye - 1; wanneer verstrooiing onzuiverheid ionen - 2).
2. f - Fermi verdelingsfunctie (de energieniveaus).
3. x - de verminderde kinetische energie van de ladingsdragers.

Integralen van de Fermi functies worden in de tabel, de berekening is niet moeilijk. De vergelijkingen van de microscopische theorie van de beslissing met betrekking tot de thermo-emk coëfficiënt en elektrische geleidbaarheid, waarmee u de coëfficiënt van prestaties te vinden. Deze complexe operaties uitgevoerd door de BI Zijwaarts, die vastgesteld dat de optimale waarde van het Seebeck-coëfficiënt in het gebied tussen 150 en 400 mV / K, maar hangt af van de mate van verstrooiing mechanisme. Op het eerste gezicht is het duidelijk dat de waarden voor metalen niet worden nageleefd. Als gevolg daarvan, een groep natuurkundigen onder leiding van Joffe aangetoond dat het beste materiaal voor thermo-elementen aan een aantal voorwaarden moeten voldoen:

1. De maximale verhouding mobiliteit van de warmtegeleidingscoëfficiënt van het kristalrooster.
2. De dragerconcentratie volgens de in de figuur getoonde formule.

VP Zhuze welk stoffen vertonen de gewenste mobiliteit. De kristalstructuur halverwege de atomaire en metaal. De introductie van verontreinigingen in het materiaal zorgt altijd mobiliteit. Dit verklaart het feit dat de thermo-emk coëfficiënt van legeringen is hoger dan voor pure materialen. Maar de toename van de verontreiniging r. Het ideale materiaal niet in de natuur bestaan, moet thermo-emk coëfficiënt een constante waarde van 172 mV / K handhaven Het is vereist dat de concentratie varieert zoals aangegeven in de afbeelding (zie. volgens conclusie. 2).

Halfgeleiders mogelijkheid om verschillende materialen te kiezen, waarbij de dragerconcentratie temperatuurafhankelijk is, en zoek die waarbij het verschil is praktisch nul. Door de combinatie van deze kwaliteiten kunnen proberen om het dichtst bij het ideaal materiaal te vinden.

constructie van koelkasten

Het Peltier effect elementen gecombineerd parallel vergroten. Hun vermogen vouwen. Om hun eigen koelkasten construeren moet zich bewust zijn van de berekening van het warmteverlies door de vlakke structuur. Gemaakt speciale rekenmachines, vele zijn online beschikbaar.

Houdt zich bezig met het ontwerpen van een willekeurige nadelig voor de hand liggende redenen. En het goede nieuws is dat de Peltier-elementen zijn aanzienlijk goedkoper in de afgelopen jaren. Ali-express producten kopen uit China 60 watt voor 300 roebel. Niet moeilijk om te zien dat tijdens de 3000 kunnen worden geassembleerd koelkast. En wat het zou de temperatuur te houden afhankelijk van het ontwerp vereisen berekening.