Эффект пельтье

Содержание

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………......3

1. ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ………………………………………………………4

1.1. История открытия……………………………………………………….4

1.2. Теоретическое обоснование эффекта Пельтье………………………...6

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА  ПЕЛЬТЬЕ………………………………...14

2.1. Модули Пельтье………………………………………………………..14

2.2.Особенности эксплуатации модулей Пельтье……………………......19

2.3. Полупроводниковые холодильники Пельтье………………………..23

2.4. Применение эффекта Пельтье………………………………………..27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..30

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………….32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Научная мысль обладает способностью опережать время. Открытия, сделанные ученными, позволяют будущим поколениям, руководствуясь ими, создавать улучшающие жизнь человека приборы и приспособления; находить новые способы защиты его здоровья и благополучия. Череда научных открытий в «великое десятилетие» начала девятнадцатого века заложила предпосылки для овладевания термоэлектричеством, безусловно, перспективнейшим направлением энергетики будущего. И явление, открытое в 1834 году часовщиком Жаном-Шарлем Пельтье и названное позже «Эффектом Пельтье», не стало исключением. Поэтому эффект, имевший место в начале XIX века, актуален и сейчас.

Возможности его применения неограниченны. Множество лабораторий  и исследовательских центров занимаются разработкой способов его применения, потому что открытие, сделанное французским ученым, позволяет сделать жизнь человека комфортной, красочной, а блага цивилизации – доступными широкому кругу потребителей.

Отрадно, что научные направления в этой области постоянно развиваются, и российские ученые находятся в авангарде этих исследований. 

В данной курсовой работе мы рассмотрим явление Пельтье и  его применение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ

 

1.1. История открытия

 

 

 В начале 19 века основные научные направления и теории еще только формировались, а основной движущей силой были всевозможные эксперименты, которые проводились настоящими энтузиастами своего дела, в основном, в кустарных условиях и на доморощенной инструментальной базе.      

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году.

Начав работать в часовой мастерской в 15 лет, в возрасте 21 года он уже открывает в Париже собственный магазин и в том же 1806 году женится на Милли Дюфон. А за 20 лет до предстоящего открытия Пельтье получил небольшое наследство, по родственной линии жены, позволившее ему полностью отказаться от необходимости зарабатывать на хлеб насущный и посвятить все свое время любимому делу — экспериментальной физике, анатомии, метеорологии и ряду других направлений естествознания.

        При проведении  одного из экспериментов он  пропускал электрический ток  через полоску висмута, с подключенными  к ней медными проводниками (рис. 1.)

 

                   

Рисунок 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье

 

 В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое – остывает, т.е. он обнаружил, что проходящий через спай разнородных металлов ток создает разность температур между спаем и свободными концами проводников.

 Причем, если нагрев проводников при прохождении тока к тому времени уже был вполне объясним (закон Джоуля), то охлаждение ниже температуры окружающей среды казалось чудом. Впрочем, чудом было и то, что Пельтье удалось увидеть эту разницу на металлической паре, так как она не могла превышать пары градусов. Но Пельтье так и не смог понять и объяснить суть происходящего.

Истинный смысл явления  был позже объяснен в 1838г. Ленцем.

В своём опыте Ленц экспериментировал 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 установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом - поглощается. Данное явление было названо эффектом Пельтье.

 К слову, сегодня, без мультиметра и заводских электрических элементов или блоков питания, не многие, даже вооруженные знаниями и описанием термоэлектрических эффектов, смогут повторить опыт Пельтье 175-летней давности.  
    Но наука шла вперед, и, в скором времени, появилась теория, описывающая термоэлектрические эффекты (Ленц) и некоторые недостающие звенья (Томсон, более известный как лорд Кельвин). В начале 20 века немецкий инженер Альтенкирх развил теорию и ввел понятия холодильного коэффициента и Z-эффективности, показав, что эффект Пельтье на металлических спаях, ввиду достижимой разницы температур всего в несколько градусов, не пригоден для практического применения. И только спустя несколько десятков лет, прежде всего усилиями академика А. Иоффе и разработанной им теории твердых растворов, были теоретически и практически получены результаты, давшие импульс широкому практическому применению эффекта Пельтье.

 

1.2.Теоретическое обоснование эффекта Пельтье

 

  Из курса физики мы знаем, что ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Под заряженными частицами обычно понимаются свободные электроны, а упорядоченность возникает при подключении источника электродвижущей силы, переводящей электроны из хаотического теплового (броуновского) движения в более осмысленное, с человеческой точки зрения. Впрочем, броуновское движение не прекращается и с появлением электрического тока. Лучшими проводниками тока при комнатной температуре являются металлы.

   Кроме металлов в природе существуют  диэлектрики — вещества, плохо проводящие электрический ток. Это не значит, что в диэлектриках нет свободных электронов — их, в кубическом сантиметре даже самых лучших изоляторов, может быть сотни триллионов! И все же этого недостаточно для возникновения явления проводимости. Вещество становится проводящим, когда концентрация носителей тока увеличивается еще в тысячи раз, такую проводимость имеют полупроводники, а подняв удельное число носителей на пару порядков, получаем полуметаллы (сильно легированные полупроводники, или твердые растворы), дальнейшее увеличение концентрации носителей характеризует уже настоящие проводники — металлы.

Термоэдс  определяет энергию, которую электрон «прокачивает» через контакт двух разнородных материалов. Для эффективности переноса энергии необходимо иметь высокую проводимость материала σ (или низкое удельное сопротивление ρ = 1 / σ) и низкую теплопроводность, чтобы кристаллическая решетка не взаимодействовала с электронами (взаимодействие = энергообмен).

Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства – это эффективность  охлаждения (или «добротность»):

 

                                    Z=a²/(ρ l),          ( Z = α²σ /l),

 

где a – коэффициент термоэдс;

ρ – удельное сопротивление;

σ — удельная электрическая проводимость

l – удельная теплопроводность полупроводника, состоящая из теплопроводностей кристаллической решетки и электронов.

Параметр Z – функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Введение в полупроводник тех или иных примесей – основное доступное средство изменять его показатели (a, ρ, l) в желательную сторону. 
     Выбор вещества в качестве термоэлектрика, в котором с нужными качествами сочетаются все три параметра, оказался нетривиальной задачей. Для начала 20 века доступны были только металлы, не обладающие высокой добротностью и не позволившие получать практическую пользу от эффектов термоэлектричества, за исключением, пожалуй, использования термопар для измерительных целей.

   Другими словами, в металлах много свободных электронов, но переносимая ими энергия мала, что дает общий слабый эффект. В диэлектриках переносимая энергия может быть большой, но число их относительно невелико, что также не обеспечивает нужного эффекта. Нужно было найти или изготовить искусственным способом золотую середину. Материалы, обладающие нужными качествами, были получены в середине 20 века, прежде всего, благодаря усилиям А.Иоффе. Ими оказались полуметаллы, к примеру, псевдобинарные непрерывные твердые растворы на основе теллуридов висмута или сурьмы, широко используемые и в настоящее время в ТЭМ с рабочими температурами, близкими к комнатной. Твердые растворы, несколько уменьшая составляющую α²σ, по сравнению с отдельными компонентами, в несколько раз снижают теплопроводность кристаллической решетки, тем самым увеличивая итоговую добротность термоэлектрика.  
      В популярной литературе термин «полуметаллы» встречается редко и заменяется на «полупроводник», мы также в дальнейшем будем называть вещество термоэлектрика полупроводником. Впрочем, это не сильно искажает истину, так как, при T = 1000K, эффективно работает пара из «настоящих полупроводников» германий-кремний.  

Причины появления эффекта Пельтье связаны, как и все в этом мире, с энергообменными процессами. Детали процессов в опыте с металлическими спаями, который ставил Пельтье много лет назад, и тех, что происходит в современных ТЭМ, различаются, поэтому упрощенно рассмотрим современную конструкцию, состоящую из батареи полупроводников p- и n-типов.  
        Любая система, без воздействия внешних сил, стремится к равновесию, применительно к местам соприкосновения полупроводников с разным типом проводимости (так называемой электронной и дырочной, хотя не следует забывать, что «дырок», как физических носителей, не существует) это означает, что на границе веществ образуется «потенциальный барьер», или контактная разность потенциалов, препятствующая прохождению свободных носителей из одного типа полупроводника в другой (если их энергия ниже некоторого порога). Ввиду того, что имеется разброс энергетического состояния носителей, часть их может преодолевать этот барьер даже и без внешнего источника энергии, но этот процесс взаимен и происходит с обеих сторон спая и приводит к некоторому равновесному состоянию.  
 Равновесие можно нарушить, пропустив через спай (р-n переход) электрический ток, тем самым дав возможность большему числу электронов преодолевать контактную разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов 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.

  Рисунок 2.  Принцип работы ТЭМ.

 

Если плюс источника  подсоединен к полупроводнику р-типа, а минус - к полупроводнику n-типа, то свободные электроны на одном конце полупроводника n-типа будут перемещаться в сторону полупроводника р-типа, а на другом конце — перемещаться от р-n перехода. Соответственно, в полупроводнике р-типа аналогично «двигаются дырки», но в другом направлении (рис.2).

Тем самым создается  ситуация, когда на левом спае (от полупроводника n-типа) происходит постоянная встреча и рекомбинация основных носителей. В результате этой рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла и происходит нагрев соединения.

 А на правом — происходит формирование этих свободных носителей.  Здесь электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться, и наблюдается понижение температуры кристаллической решетки.  

Изменение полярности подключения источника питания приведет к эффекту смены теплового состояния — теперь нагреваться будет правый от полупроводника n-типа спай, а охлаждаться — левый.

В отличие от тепла  Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q = R·I²·t), тепло Пельтье пропорционально силе тока в первой степени (Q_П~I) и может быть выражено формулой:

                                        Q_п = П · q

где q - заряд прошедший  через контакт,

П - так называемый коэффициент  Пельтье.

Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томпсона: 
                                                П = a · T

где a - коэффициент Томпсона, 

T - абсолютная температура.

Коэффициент Пельтье, определяющий количество тепла Пельтье, выделяющегося  на контакте, зависит от природы контактирующих веществ и температуры контакта: П₁₂=a₁₂·Т=(a₁-a₂)·T, где a₁ и a₂ абсолютные коэффициенты термоэдс контактирующих веществ. Если для большинства пар металлов коэффициент термоэдс имеет порядок 10^-5-10^-4 В/К, то для полупроводников он может оказаться гораздо больше (до 1,5·10^-3 В/К).