Peltier Element

Een Peltier-element is een elektrisch apparaat dat, onder invloed van een elektrische stroom, een temperatuurverschil genereert op werklocaties. Het principe van actie is het tegenovergestelde effect van Seebeck. Het is opmerkelijk dat het wordt geaccepteerd om de junctieterminals van het thermokoppel te bellen, evenals de echte metalen overgang op de gevoelige plaats van de sensor. Je moet niet worden misleid, de uiteinden zijn meestal verbonden met het meetcircuit en raken elkaar niet.

Effecten van thermo-elektriciteit

21 juli 1820 wordt beschouwd als een keerpunt in de ontwikkeling van de geschiedenis: Oersted besloot zijn waarnemingen te publiceren over het effect van de stroomvoerende draad op de oriëntatie van de magnetische naald in de ruimte. Verdere ontdekkingen volgen een opeenvolging, we zijn geïnteresseerd in de uitvinding van de eerste galvanometer. De fabrikant, Schweigger, noemde het apparaat een vermenigvuldiger voor zijn vermogen om het resultaat van de werking van meerdere windingen van draaddraagstroom op een magnetische naald te vermenigvuldigen. Een jaar later( 1821) ontdekte een Seebeckse natuurkundige uit Estland daarom thermo-elektriciteit. Het is bekend dat wat er vijf jaar later gebeurde met George Ohm gebeurde om een ​​wereldberoemde wet te krijgen.

De literatuur zegt dat Seebeck een solenoïde gebruikte met een groot aantal draadwikkelingen en een magnetische naald als een detector. Het verhaal is stil, omdat de bismut-antimoonpiek de wetenschapper raakt, maar het vertelt dat de wetenschapper de tandem als krachtbron verbond en het kompas voortdurend oscilleerde wanneer hij het thermokoppel in zijn handen nam. Het was waarschijnlijk dicht bij de ontdekking van zijn eigen supernormale vermogens, maar als resultaat werd geconcludeerd dat de warmte van de handen de schuld was. Geweldige resultaten, heeft de wetenschapper bereikt, met behulp van een verlichtingslamp als een bron van warmte.

Seebeck heeft het resultaat van het experiment verkeerd geïnterpreteerd en de ontdekking magnetische polarisatie genoemd: het verplaatsen van het verwarmingspunt naar het andere uiteinde veranderde de richting van de pijlafbuiging. Als gevolg hiervan werd de verkeerde theorie gebouwd. Ze begonnen te beweren dat temperatuur het mogelijk maakt om direct magnetische eigenschappen te verkrijgen, en het veld van de aarde is te wijten aan de activiteit van vulkanen. Georg Ohm, reeds kort na de beschreven ontdekking, bracht thermo-emf aan om een ​​bekende wet af te leiden, en in 1831 werd een soortgelijke bron gebruikt in elektrolyse-experimenten.

De thermo-emf-waarde is klein. Meestal tientallen mV.Als u een specifieke waarde wilt vinden, gebruikt u de tabellen. Platina is de maatstaf voor temperaturen in het klimaat van de aarde. De tabellen bevatten de waarde van thermo-emf voor thermokoppels van het gespecificeerde metaal en de bestudeerde: chromel, alumel, copper, iron. Waarden zijn positief en negatief. Voor antimoon is dit bijvoorbeeld +4,7 mV en voor bismut - minus 6,5.De waarden tellen op en het wordt duidelijk dat wanneer het temperatuurverschil aan de uiteinden van een paar van 100 graden EMF wordt gevormd bij 12,2 mV.Georg Om probeerde vergelijkbare omstandigheden te creëren door het eerste uiteinde in ijs te dompelen, en het tweede in kokend water.

-referentietabellen bevatten soms veel waarden. Bijvoorbeeld voor verschillende temperaturen in stappen van 100 graden. Dan is het mogelijk om de waarden voor elk te berekenen, maar ook met de vervanging van nul voor een van de opgegeven temperaturen. Het verschil tussen de grotere en kleinere waarde wordt genomen. Voor individuele thermokoppels bij een bepaalde temperatuur, verandert de richting van de thermo-emf naar het tegenovergestelde. Voor koper en ijzer bijvoorbeeld, is het grenspunt 540 graden Celsius.

Peltier-effect

Het Peltier-effect wordt spiegelreflectie van thermo-elektriciteit genoemd. In dit geval draagt ​​de stroom de warmte over van het eerste uiteinde van het thermokoppel naar het tweede. En met een andere richting en de verwarmde kant draait naar het tegenovergestelde. Het effect werd ontdekt in 1834, omdat het verkeerd werd geïnterpreteerd. Slechts 4 jaar later slaagde de "landgenote" Lenz erin om een ​​druppel water te bevriezen en te verdampen met behulp van een thermokoppel. In beide gevallen vertoonde de stroming zijn eigen richting.

Het effect wordt eenvoudig uitgelegd in de moderne natuurkunde. Stel dat er twee ongelijke halfgeleiders zijn met hetzelfde type geleiding. De elektronen in elk verwerven een andere waarde van energie, en de niveaus in beide gevallen zijn dichtbij. Stel je nu voor dat de elektrische stroom ladingen van het ene medium naar het andere begon over te brengen. Wat zal er gebeuren? Elektronen met hoge energie, die zich in een omgeving met lage niveaus bevinden, zullen een extra hoeveelheid aan het kristalrooster geven, waardoor ze worden opgewarmd. Integendeel, als de energie niet genoeg is, zal het worden overgebracht van het kristalrooster, dat de afkoeling zal veroorzaken.

Als het geleidbaarheidstype van halfgeleiders in een thermokoppel niet hetzelfde is, wordt het effect anders uitgelegd. Een elektron dat het p-materiaal binnengaat, neemt de plaats in van een gat( positieve ladingdrager) op het energieniveau. Als gevolg hiervan verliest het de kinetische energie van beweging en het verschil tussen de huidige en vroegere toestand. De vrijgekomen hoeveelheid gaat naar de vorming van vrije dragers aan beide zijden van de pn-overgang. De rest wordt gerapporteerd aan het kristalrooster, van waaruit de verwarming voortgaat. Als de energie op het eerste moment minder is, begint de koeling van de kruising. Recombinatiemedia worden aangevuld door de stroombron.

De hoeveelheid afgegeven of geabsorbeerde warmte is evenredig met de lading die door de geleider passeert. De coëfficiënt in de formule van lineaire afhankelijkheid wordt Peltier genoemd. Een vergelijkbare waarde wordt geïntroduceerd voor thermo-elektriciteit, vernoemd naar Seebeck. Uit de formule volgt dat de hoeveelheid afgegeven warmte, in tegenstelling tot het Joule-Lenz-effect, evenredig is met de eerste graad van elektrische stroom( het bepalen van de overgedragen lading).

Thomson-effect

Op basis van de Seebeck- en Peltier-coëfficiënten voorspelde Lord Kelvin( Thomson) een nieuw effect in 1856: de in het midden verwarmde geleider koelt aan de ene kant en laat heet aan de andere kant. De theoretische gegevens worden empirisch bevestigd en maken de weg vrij voor de creatie van klimaattechnologie en andere dingen.

Het idee van Lord Thomson: als er een temperatuurgradiënt langs de geleider is( zie Elektrisch veld), zal de warmte beginnen te stromen wanneer de stroom vloeit. Dit apparaat werkt volgens het principe van de warmtepomp. Het overgedragen vermogen is evenredig met de gradiënt: hoe steiler de grafiek van temperatuurveranderingen langs de lengte van de geleider, hoe groter het thermische effect zich manifesteert.

De evenredigheidscoëfficiënt in de formule is genoemd naar Thomson en is geassocieerd met thermo-elektriciteit en Peltier-coëfficiënten. Hierboven gaven de auteurs uitleg volgens de kinetische( microscopische) theorie, die werkt met niveaus van energietoestanden van ladingsdragers. Lord Kelvin hield zich aan het thermodynamische( macroscopische) concept, waarbij rekening wordt gehouden met mondiale stromingen en krachten. Dit onderscheid geldt voor veel takken van de natuurkunde. De wet van Ohm voor een kettingsectie kan bijvoorbeeld worden beschouwd als een variant van een thermodynamische kijk op de dingen.

Gebeld en overeenkomsten. In het thermodynamische concept worden de volgende constanten massaal toegepast: spraak op de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt( Fourier-wet) en isothermische geleidbaarheid( wet van Ohm).

Gevolgen van

Een aantal nuttige wetten met betrekking tot het besproken onderwerp:

1. In een gesloten circuit van een homogeen materiaal als gevolg van temperatuur kan de elektrische stroom niet worden gehandhaafd. Deze verklaring draagt ​​de naam van de Duitse natuurkundige Magnus. Soms aangeduid als de wet van een homogene keten.
2. De wet van tussenliggende metalen stelt dat de algebraïsche som van de thermo-emf van een gesloten lus bestaande uit een willekeurig aantal segmenten van heterogene geleidende materialen nul is, op voorwaarde dat de temperatuur van de secties dezelfde is.

Gebruik van thermo-elektrische en elektrothermische effecten

Lange tijd vond het directe en inverse thermo-elektrische effect geen toepassing, de bruikbare waarde bleek te klein. Geleidelijk aan hebben natuurkundigen legeringen gemaakt waarvan de eigenschappen de zuivere metalen overlappen die door Peltier en Lenz worden gebruikt met twee ordes van grootte. Nu wordt thermo-elektriciteit toegepast. Roep de koelkastthermostaat of thermo-elektrische koelkasten op zonder bewegende delen. De ruimtevaartindustrie is veel interessanter, waarbij het fenomeen wordt gebruikt om fotoresistors te koelen: wanneer de temperatuur slechts 10 graden daalt, neemt de gevoeligheid van dergelijke sensoren toe met een orde van grootte.

Een bijkomend voordeel van de beschreven technische oplossingen is compactheid en een laag energieverbruik: met een gewicht van 150 g koelt de eenheid de thermistor af met 50-60 graden. In consumentenelektronica ondersteunt het Peltier-effect de normale modus van processors in de systeemeenheid van personal computers. Ja, het is de moeite waard de technische oplossing is niet goedkoop, maar geruisloosheid is gegarandeerd. Bijvoorbeeld liefhebbers van de design-koelkasten van 2010 thuis. Hoge efficiëntie kan niet worden bereikt vanwege grote verliezen door het lichaam. Maar met de komst van nieuwe isolerende bouwmaterialen zal de situatie verbeteren.

Interessant is dat wanneer de richting van de elektrische stroom verandert, het effect in de tegenovergestelde richting begint te werken. Verwarming is mogelijk. Op basis van de beschreven effecten worden thermostaten gemaakt die de temperatuur tot op duizendsten van een graad bewaken. Onder de veelbelovende gebieden worden huishoudelijke airconditioners en andere koelsystemen gevierd. Het meest opvallende nadeel is de prijs. En we moeten niet vergeten dat de efficiëntie van de airconditioner in de regel groter is dan 1, dit apparaat werkt volgens het principe van een warmtepomp. Laat de efficiëntie sterk dalen met de stijgende omgevingstemperatuur, terwijl thermokoppels ver achterlopen op traditionele koelmethoden met hun 10%.

Druk andere meningen uit. Academicus Ioffe, waarvan enkele grondregels in het bovenstaande onderwerp worden gebruikt, stelde voor om systemen te maken voor het verwarmen en koelen van kamers als split-systemen. In dit geval doet zich een complicatie voor, zoals bij typische conditioners, maar de efficiëntie bereikt 200%.Betekenis: tijdens verwarming wordt bijvoorbeeld een warmte-absorberende junctie buiten geplaatst en wordt de evoluerende verbinding binnen geplaatst. Het is niet eenvoudig om de warmte uit de kou te halen, omdat de techniek beperkingen heeft. Het is echter niet verboden om warmtepompen te maken op basis van deze methodiek.

De onvoorwaardelijke voordelen van klimaatsystemen met het Peltier-element omvatten het vermogen om in de tegenovergestelde richting te werken. In de zomer zal de kachel worden voorzien van airconditioning. Het is alleen nodig om de richting van de stroom te wijzigen. Bekende tegengestelde ontwikkelingen, ontworpen om zonnewarmte om te zetten in elektrische energie. Maar terwijl dergelijke ontwerpen zijn gemaakt op basis van silicium, en er geen plaats is voor thermokoppels.

Materialen voor het maken van thermokoppels

Kennelijk zijn conventionele metalen niet geschikt voor het maken van krachtige systemen. Vereist een vermogenspaar van 100 μV tot 1 graad. In het laatste geval wordt een hoog rendement bereikt. De materialen zijn legeringen van bismut, antimoon, tellurium, silicium, selenium. De nadelen van de componenten omvatten de fragiliteit en relatief lage bedrijfstemperatuur. Lage efficiëntie voegt beperkingen toe, maar met de introductie van nanotechnologie is er hoop dat het gebruikelijke raamwerk zal worden overwonnen. Wetenschappers uit veelbelovende gebieden noemden de ontwikkeling van een fundamenteel nieuwe halfgeleiderbasis met werkelijk unieke eigenschappen, inclusief de exacte waarde van de energieniveaus van materialen.