Peltier efektas: stebuklingas elektros srovės poveikis

XIX amžiaus pradžia. Fizikos ir elektrotechnikos auksinis amžius. 1834 m. Prancūzų laikrodininkas ir gamtininkas Jeanas-Charlesas Peltier padėjo vandens lašą tarp bismuto ir stibio elektrodų, o po to per grandinę praleido elektros srovę. Nustebęs pamatė, kad lašas staiga užšalo.

Šiluminis elektros srovės poveikis laidininkams buvo žinomas, tačiau priešingas poveikis buvo panašus į magiją. Galite suprasti Peltier jausmus: šis reiškinys dviejų skirtingų fizikos sričių - termodinamikos ir elektros - sankirtoje sukelia šių dienų nuostabą.

Aušinimo problema nebuvo tokia opi kaip dabar. Todėl į Peltier efektą buvo atkreiptas dėmesys tik po beveik dviejų amžių, kai atsirado elektroniniai įtaisai, kuriems eksploatuoti reikėjo miniatiūrinių aušinimo sistemų. Dorybė Peltier aušinimo elementai yra maži matmenys, judančių dalių nebuvimas, kaskadinių jungčių galimybė gauti didelius temperatūrų skirtumus.

Be to, Peltier efektas yra grįžtamasis: pasikeitus srovės poliškumui per modulį, aušinimas pakeičiamas kaitinimu, todėl nesunku įgyvendinti tikslios temperatūros palaikymo sistemas - termostatus. „Peltier“ elementų (modulių) trūkumas yra mažas efektyvumas, todėl norint gauti pastebimą temperatūros skirtumą reikia sudėti dideles srovės vertes. Sudėtingumą parodo šilumos pašalinimas iš plokštės, priešingos aušinamai plokštumai.

Bet visų pirma pirmiausia. Pirmiausia pabandykime apsvarstyti fizinius procesus, atsakingus už pastebėtą reiškinį. Nepasinerdami į matematinių skaičiavimų bedugnę, mes tiesiog bandysime suprasti šio įdomiojo fizinio reiškinio pobūdį „ant pirštų“.

Kadangi mes kalbame apie temperatūros reiškinius, fizikai, siekdami patogesnio matematinio aprašymo, pakeiskite medžiagos atominės gardelės virpesius tam tikromis dujomis, kurias sudaro dalelės - fononai.

Fonono dujų temperatūra priklauso nuo aplinkos temperatūros ir metalo savybių. Tada bet kuris metalas yra elektronų ir fonono dujų mišinys termodinaminėje pusiausvyroje. Kai du skirtingi metalai liečiasi nesant išorinio lauko, „karštesnės“ elektronų dujos prasiskverbia į „šaltesnę“ zoną, sukurdamos visiems žinomą kontaktinio potencialo skirtumą.

Taikant galimą skirtumą perėjimui, t. kai srovė teka per dviejų metalų ribą, elektronai ima energiją iš vieno metalo fononų ir perkelia ją į kito fonono dujas. Pasikeitus poliškumui, energijos perdavimas, o tai reiškia, kad šildymas ir aušinimas keičia ženklą.

Puslaidininkiuose elektronai ir „skylės“ yra atsakingi už energijos perdavimą, tačiau šilumos perdavimo mechanizmas ir temperatūrų skirtumo pobūdis išlieka. Temperatūrų skirtumas didėja, kol išeikvojami aukštos energijos elektronai. Temperatūros pusiausvyra nustatoma. Tai yra modernus aprašymo vaizdas Peltier efektas.

Iš to aišku, kad Peltier elemento atlikimas priklauso nuo medžiagų poros pasirinkimo, srovės stiprumo ir šilumos pašalinimo iš karštosios zonos greičio. Šiuolaikinių medžiagų (dažniausiai puslaidininkių) efektyvumas yra 5–8%.

O dabar apie praktinį Peltier efekto pritaikymą. Norėdami jį padidinti, atskiri termoelementai (dviejų skirtingų medžiagų sankryžos) yra surenkami į grupes, susidedančias iš dešimčių ir šimtų elementų. Pagrindinis tokių modulių tikslas yra mažų objektų ar mikroschemų aušinimas.

Termoelektrinis aušinimo modulis

Moduliai, pagrįsti Peltier efektu, yra plačiai naudojami naktinio matymo prietaisuose su infraraudonųjų spindulių imtuvų matrica.Įkraunamoms mikroschemoms (CCD), kurios šiandien taip pat naudojamos skaitmeniniuose fotoaparatuose, reikalingas gilus aušinimas, kad būtų galima įrašyti vaizdus infraraudonųjų spindulių srityje. Peltier moduliai vėsina infraraudonųjų spindulių detektorius teleskopuose, aktyvius lazerio elementus radiacijos dažniui stabilizuoti, kristalų generatoriai tiksliose laiko sistemose. Bet visa tai yra kariniai ir specialieji tikslai.

Neseniai „Peltier“ moduliai buvo pritaikyti namų apyvokos gaminiams. Daugiausia automobilių pramonėje: oro kondicionieriai, nešiojami šaldytuvai, vandens aušintuvai.

Peltier efekto praktinio panaudojimo pavyzdys

Įdomiausias ir perspektyviausias modulių pritaikymas yra kompiuterinės technologijos. Didelio našumo mikroprocesoriai, procesoriai ir vaizdo plokščių lustai skleidžia daug šilumos. Norint juos atvėsinti, naudojami greitaeigiai ventiliatoriai, kurie sukuria didelį garsinį triukšmą. Naudojant „Peltier“ modulius kaip kombinuotų aušinimo sistemų dalį, triukšmas pašalinamas žymiai pašalinant šilumą.

Kompaktiškas USBaušintuvas naudojant „Peltier“ modulius

Ir galiausiai logiškas klausimas: ar „Peltier“ moduliai pakeis įprastas aušinimo sistemas kompresiniuose buitiniuose šaldytuvuose? Šiandien jis yra nuostolingas efektyvumo (mažo efektyvumo) ir kainos atžvilgiu. Galingų modulių kaina vis dar yra gana aukšta.

Tačiau technologijos ir medžiagų mokslas nestovi vietoje. Neįmanoma atmesti galimybės atsirasti naujų pigesnių medžiagų, pasižyminčių dideliu efektyvumu ir dideliu Peltier koeficientu. Jau šiandien mokslinių tyrimų laboratorijos teikia ataskaitas apie nuostabias nanokarboninių medžiagų savybes, kurios gali radikaliai pakeisti situaciją veiksmingomis aušinimo sistemomis.

Gauta pranešimų apie didelę termoelektrinę savybių savybes - kietus tirpalus, panašios struktūros į hidratus. Kai šios medžiagos išeis iš tyrimų laboratorijų, visiškai tylus aušintuvas su neribotu tarnavimo laiku pakeis mūsų įprastus namų modelius.

P.S. Vienąoi iš daugelio įdomu ypatybes termoelektrinė technologija ar tai ji yra gali ne tik naudoti elektros energija gauti šilumą ir šaltį, bet taip pat jos dėka galibet pradėkite atvirkštinį procesą ir, pavyzdžiui, gaukite iš šilumos šilumą.  

Pavyzdys, kaip tu gali gauti elektrą iš šilumos su naudojant termoelektrinį modulį (termoelektrinis generatorius) pažvelk į tai vaizdo įrašas:

Ką tu galvoji apie tai? Laukiu tavo komentarų!