Эффект пельтье

Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье

?

Categories:

• история
• техника
• технологии
• Cancel

Оригинал взят у holodilshik в Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье.Предлагаю посмотреть два небольших видеоролика.

Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.Ролик 1Ролик 2

В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.

Это физическое явление было открыто в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье, часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя — эффект Пельтье. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.

Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.

Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.

Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.

Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека, более известному как термоэлектрический эффект.

Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К.

Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов — полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь.

При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться. Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70…75 К.

Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением термоэлементов.

Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.

Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи.

Батарея Пельтье

Источник: /podberi-holodilnik.ru/aimg/content/c90791135f6df6227ac4e26cd52e7fd9e7d55e76.gifПреимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);- небольшие размеры;- возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:- малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;- низкая холодпроизводительность;- высокая стоимость.Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.

Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.

Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC — это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.

Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.

Источник: /engineering-ru.livejournal.com/300676.html

Эффект Пельтье

Определение 1

Статья о температурных аномалиях, которые наблюдаются на границах двух разных проводников, когда по ним течет электрический ток, была опубликована Пельтье в 1834 г. Сам Пельтье в сущности явления не разобрался, его разъяснил Ленц в 1838 г. Ленц проводил следующий опыт.

В выемку на стыке стержней висмута и сурьмы он помещал каплю воды. Если ток пропускался в одном направлении, вода замерзала, в ток шел в противоположном направлении полученный лед таял.

Так было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, кроме джоулева тепла выделяется или поглощается (это зависит от направления тока) дополнительная теплота. Эта теплота получила название — теплота Пельтье.

[Q_P=Пqleft(1
ight),]

где $q$ — заряд, $П$ — коэффициент Пельтье, который зависит от контактирующих материалов и их температуры. $Q_P>0$, если она выделяется.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Классическая электронная теория проводимости трактовала явление Пельтье так: электроны, которые переносятся током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под воздействием внутренней контактной разности потенциалов между металлами.

В одном случае кинетическая энергия электронов растет, а затем выделяется как теплота. В другом случае, кинетическая энергия уменьшается, и это уменьшение пополняется за счет тепловых колебаний атомов, в результате чего происходит охлаждение.

Дело в том, что положения уровней Ферми в разных металлах различно. Классическая теория учитывает только разницу потенциальных энергий по разные стороны границы раздела металлов, при этом считает, что кинетические энергии электронов одинаковы.

Однако следует учесть изменение полной энергии электрона его при переносе из одного металла в другой.

Для большинства пар проводников коэффициент Пельтье имеет значение порядка ${10}^{-2}- {10}^{-3}В$ (вольт).

Эффект Пельтье для полупроводников

Эффект Пельтье, как в прочем все термоэлектронные явления, особенно сильно проявляется в цепях из электронных и дырочных полупроводников.

Допустим, что имеется контакт дырочного полупроводника и электронного, причем ток идет от дырочного проводника к электронному.

В таком случае дырки в дырочном полупроводнике и электроны в электронном полупроводнике станут двигаться навстречу друг другу. Электроны, из свободных зон электронного полупроводника пройдя границу раздела, попадают в заполненную зону дырочного полупроводника и там аннигилируется с дыркой.

Как следствие такой рекомбинации высвобождается энергия, которая выделяется в виде тепла в контакте полупроводников.

Рассмотрим случай, когда ток идет от электронного полупроводника к дырочному. В этом случае, электроны в электронном полупроводнике и дырки в дырочном полупроводнике движутся в противоположные стороны.

Дырки, перемещающиеся от границы раздела полупроводников, пополняются в результате образования новых пар при переходе электронов из заполненной зоны дырочного полупроводника в свободную зону. На образование подобных пар необходима энергия, которая предоставляется тепловыми колебаниями атомов решетки.

Под воздействием электрического поля возникающие электроны и дырки движутся в противоположные стороны. Непрерывное рождение новых пар идет пока ток течет через контакт. В результате этого процесса теплота поглощается.

Примечание 1

Явление Пельтье в полупроводниках используют в охлаждающих устройствах.

Тепло Джоуля — Ленца и тепло Пельтье

Надо отметить, что между явлением Пельтье и выделением тепла Джоуля — Ленца есть существенные различия. Количество теплоты, которая выделяется в соответствии с законом Джоуля — Ленца ($Qsim I^2$) не зависит от направления тока.

Теплота, которая выделяется (или поглощается) в результате эффекта Пельтье пропорциональна первой степени силы тока ($Q_Psim I$) и изменяет знак при смене направления тока.

Кроме того, тепло Джоуля — Ленца зависит от сопротивления проводника, теплота Пельтье от него не зависит.

Обычно, теплота Пельтье существенно меньше, чем тепло Джоуля — Ленца.

Пример 1

Задание: Покажите, что если считать электронный газ в проводнике невырожденным, то коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала.

Решение:

Количество электронов (N), которое проходит через единичную площадку, перпендикулярную к направлению тока, за $1 с$ равно:

[N=frac{j}{q_e}left(1.1
ight),]

где $j$ — плотность тока, $q_e $— заряд электрона.

Энергия электрона равна сумме его кинетической ($E_k$) и потенциальной энергий ($E_p=-q_evarphi $). Если через $leftlangle E_k
ight
angle $ обозначить среднюю энергию для N электронов, то поток энергии ($P$) равен:

[P=-frac{j}{q_e}left(leftlangle E_k
ight
angle -q_evarphi
ight)left(1.2
ight),]

где $leftlangle E_k
ight
angle
e frac{3}{2}$ kT— не равно средней кинетической энергии равновесного электронного газа, что объяснимо тем, что в случае вырожденного газа не все электроны могут ускоряться электрическим полем.

Рассмотрим проводники 1 и 2 при одинаковой температуре.

К каждой единице поверхности контакта в проводнике 1 подводится в единицу времени энергия $P_1$, а отводится в проводнике 2 энергия равная $P_2$. Значения потенциалов с обеих сторон контактной плоскости равны ${varphi }_1$ и ${varphi }_2$. Причем ${varphi }_1$ $
e $ ${varphi }_2$.

Кроме того в общем случае, имеем, что:

[leftlangle E_{k1}
ight
angle
e leftlangle E_{k2}
ight
angle left(1.3
ight).]

Для поддержания температуры контакта без изменений с каждой единицы поверхности в единицу времени нужно отводить (или подводить) энергию, равную $P_1-P_2. $Из выражения (1.3) следует, что:

[P_1-P_2
e 0 left(1.4
ight).]

Это означает, что выделяется (или поглощается) тепло Пельтье ($Q_p$). В том случае, если $S$ — площадь контактирующих поверхностей, то тепло Пельтье равно:

[Q_p=left(P_1-P_2
ight)St=frac{1}{q_e}left[left(leftlangle E_{k2}
ight
angle -leftlangle E_{k1}
ight
angle
ight)-q_eleft({varphi }_1- {varphi }_2
ight)
ight]Itleft(1.5
ight),]

где $I=jS$ — сила тока. Мы знаем, что теплоту Пельтье выражают как:

[Q_p=Пqleft(1.6
ight).]

Или для нашего случая из выражения (1.7) можно записать:

[Q_p=Пq_e=ПItleft(1.7
ight).] [П_{12}=frac{1}{q_e}left[left(leftlangle E_{k2}
ight
angle -leftlangle E_{k1}
ight
angle
ight)-q_eleft({varphi }_1- {varphi }_2
ight)
ight]left(1.8
ight).]

Так как нас интересует тепло в контакте, и мы не рассматриваем тепло Джоуля — Ленца в объеме, то в формуле (1.5) следует под $P_1 и P_2$ понимать их значения у самой плоскости контактов. Значит выражение ${varphi }_1- {varphi }_2=U_{i12}$ — контактный скачок потенциала.

Если электронный газ в проводниках является невырожденным, то ускоряются полем все электроны.

Распределение импульсов описывается законом Максвелла, и оно зависит только от температуры, тогда $leftlangle E_{k2}
ight
angle =leftlangle E_{k1}
ight
angle $, следовательно:

[П_{12}=ц_1- ц_2=U_{i12}. ]

Что и требовалось показать.

Пример 2

Задание: Чему равен коэффициент Пельтье при температуре T=0 K (случай сильно вырожденного электронного газа)?

Решение:

В состоянии сильного вырождения (T=0 K) все квантовые состояния в зоне проводимости с энергией, которая меньше уровня Ферми полностью заняты электронами.

При этом ускоряться полем могут только электроны, которые имею энергии равную энергии Ферми (в первом приближении энергию Ферми примем равной химическому потенциалу $mu $).

[П_{12}=frac{1}{q_e}left[left(leftlangle E_{k2}
ight
angle -leftlangle E_{k1}
ight
angle
ight)-q_eleft({varphi }_1- {varphi }_2
ight)
ight]left(2.1
ight)]

под $leftlangle E_{k2}
ight
angle и leftlangle E_{k1}
ight
angle $ надо понимать максимальные кинетические энергии электронов и принять, что:

[leftlangle E_{k2}
ight
angle ={mu }_2, leftlangle E_{k1}
ight
angle {=mu }_1left(2.2
ight).]

С другой стороны мы знаем, что:

[q_eleft({varphi }_1- {varphi }_2
ight){=mu }_1-{mu }_2left(2.3
ight).]

Подставим выражения (2.3) и (2.2)

в формулу (2.1), получим:

[П_{12}=frac{1}{q_e}left[left(м_2-м_1
ight)-left(м_1-м_2
ight)
ight]=0.]

Ответ: При $T$=0 $K$, $П_{12}=0 В.$

Источник: /spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/effekt_pelte/

Эффект Пельтье и Томсона

Эффект Томсона — одно из термоэлектрических явлений, заключающееся в том, что в однородном неравномерно нагретом проводнике с постоянным током, дополнительно к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля — Ленца, в объёме проводника будет выделяться или поглощаться дополнительная теплота Томсона в зависимости от направления тока.

Количество теплоты Томсона пропорционально силе тока, времени и перепаду температур, зависит от направления тока.

Объяснение эффекта в первом приближении заключается в следующем.

В условиях, когда вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, причём направление тока соответствует движениюэлектронов от горячего конца к холодному, при переходе из более горячего сечения в более холодное, электроны передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота), а при обратном направлении тока, проходя из более холодного участка в более горячий, пополняют свою энергию за счёт окружающих атомов (теплота поглощается).

В полупроводниках важным является то, что концентрация носителей в них сильно зависит от температуры.

Если полупроводник нагрет неравномерно, то концентрация носителей заряда в нём будет больше там, где выше температура, поэтому градиент температуры приводит к градиенту концентрации, вследствие чего возникает диффузионный поток носителей заряда. Это приводит к нарушению электронейтральности.

Разделение зарядов порождает электрическое поле, препятствующее разделению. Таким образом, если в полупроводнике имеется градиент температуры, то в нём имеется объёмное электрическое поле .

Предположим теперь, что через такой образец пропускается электрический ток под действием внешнего электрического поля . Если ток идет против внутреннего поля , то внешнее поле должно совершать дополнительную работу при перемещении зарядов относительно поля , что приведёт к выделению тепла, дополнительного к ленц-джоулевым потерям.

Если ток (или внешнее поле ) направлен по , то само совершает работу по перемещению зарядов для создания тока. В этом случае внешний источник тратит энергию для поддержания тока меньшую, чем в том случае, когда внутреннего поля нет. Работа поля может совершаться только за счет тепловой энергии самого проводника, поэтому он охлаждается.

Явление выделения или поглощения тепла в проводнике, обусловленное градиентом температуры, при прохождении тока носит название эффекта Томсона. Таким образом, вещество нагревается, когда поля и противоположно направлены, и охлаждается, когда их направления совпадают.

В общем случае, количество тепла, выделяемое в объёме dV, определяется соотношением:

, где — коэффициент Томсона.

Эффект Пельтье́ — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников.

,

где:

— количество выделенного или поглощённого тепла;

— сила тока;

— время протекания тока;

— коэффициент Пельтье, который связан с коэффициентом термо-ЭДС вторым соотношением Томсона [2] , где — абсолютная температура в K.

Эффект открыт Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы.

При пропускании электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, при смене направления тока — лёд таял, что позволило установить, что в зависимости от направления протекающего в эксперименте тока, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека.

Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический 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.

Источник: /megaobuchalka.ru/10/14361.html

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье
(1785-1845 г.) в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он
пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к
ней медными проводниками.

В ходе эксперимента он обнаружил, что одно
соединение висмут-медь нагревается, другое — остывает.

Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснён в 1838г Ленцем (1804-1865 г.).

В своём опыте Ленц эксперементировал 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 установленно, что при прохождении тока через
контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом
— поголщается. Данное явление было названо эффектом Пельтье (противоположным эффекту Зеебека).

Эффект Пельтье́ — процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:

dQ12 = P12Idt = − dQ21Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая 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.

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler). Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Принцип действияВ основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.

Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n).

Протекающий электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.

Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Кроме того элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются.

Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Применение

Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии).

Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 — 40 К ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 для одностадийних холодильников и до −120 для двухстадийных).

Сущность эффекта

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контакной разностью потенциалов между металлами.

В случае ускорения кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случае кинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергии тепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом он начинает охлаждаться.

При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.Уже в 20 веке было выясенно, что эффект Пельтье значительно сильнее проявляется при соединении полупроводников разных типов.

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности.

Техническая реализация Пельтье эффекта в полупроводниках

Основным технологическим узлом всех термоэлектрических охлаждающих устройств является термоэлектрическая батарея, набранная из последовательно соединенных термоэлементов. Так как металлические проводники обладают слабыми термоэлектрическими свойствами, термоэлементы делаются из полупроводников, причем одна из ветвей термоэлемента должна состоять из чисто дырочного (р-тип), а другая из чисто электронного (n-тип) полупроводника.Если выбрать такое направление тока, при котором на контактах, расположенных внутри холодильника тепло Пельтье будет поглощаться, а на наружных контактах выделяться в окружающее пространство, то температура внутри холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника нагреваться (что происходит при любой конструкции холодильника).Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20С до 200С; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.

Источник: /diod.ucoz.ru/load/fizicheskie_zakony/fizika/ehffekt_pelte/22-1-0-51

Термопары, термоэлектрические модули

Пооворим о термоэлектрических модулях.

Что такое эффект Пельтье и термоэлектрический модуль?
Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье (1785-1845 г.) в 1834 году.

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

В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое — остывает.

Устройство модуля

Достоинством элемент Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C. Область применения очень обширная, мини кондиционеры, мини холодильники, охлаждение всевозможных точных приборов, получение сверхнизких температур в лабораториях, в професиональной видеотехнике, получение электричества и тд. К уникальным способностям можно отнести то, что именно с помощью составного модуль Пельтье смогли добиться самой низкой температуры -271?. в приборах ночного видения миниатюрные модули охлаждают матрицу для уменьшения шумов, в особо мощных телескопах. Современный модуль это спайка определенного количества элементов в керамическом корпусе. В качестве примера рассмотрим TEC-12709 ( 136.8W ) Технические характеристики: Umax (В): 15.2 I max A: 9 ?Tmax Qcmax=0(?): 66 Th=27 ? Размеры (мм): 40 × 40 × 3.4 Сопротивление (Ом ): 1.3 ~1.5 Что означают все эти данные? в самом названии аббревиатура ТермоЭлектрическийМодуль, 127 количество элементов внутри модуля, 09 это рабочий ток, 9 Ампер. 66 градусов это разница температур которая может быть достигнута при идеальных условиях. в данном случае указано 27 ?. Исходя из несложных вычислений если на горячей стороне мы сможем поддерживать 27 градусов, на холодной можно получить -39 ?.
В реальности разница будет меньше, потому что очень сложно отводить столько тепла, об этом в экспериментах. 40 × 40 × 3.4 это все поняли размеры, бывают размеры от 1мм сторона до 70-80, Толщина бывает от 3 до 5 мм, поэтому есть сложности в эффективной термоизоляции сторон. Варианты исполнения модулей Составной модуль. каждый следующий модуль меньше, приложен горячей стороной к холодной предыдущего, соответственно разница температур будет относительно холодной стороны первого модуля. Таким образом получают сверхнизкие температуры.
Холодильник для вина Охладитель для банок
использвание для охлаждения процессоров Автомобильный холодильник
Кулер для воды

и конечно уже всем примелькавшийся термогенератор на керосиновой лампе.

его составные части, термомодули и массивный радиатор для охлаждения
Выходная мошность этого термогенератора 2 ватта. Недавно в Москве такой генератор был приобретен на сайте любителей старых радиоприемников за 32 000 рублей. Вложить столько денег в получение 2 ватта это нужно быть фанатом. Не забывает промышленость и о туристах, вполне реально найти котелки и ковшики от которых можно зарядиться. Отечественный разработчик Обещает нам на выходе 8 ватт. И производитель из Японии
Гарантирует нам 2 ватта на выходе. Очень странно получается, у нас 8 у них 2… Не думаю что японцы настолько глупые, скорее всего честные. Потому что наши не договаривают что максимальная мощность снимается в первые минуты когда вы набрали снега в котелок и разница температур максимальная, у японцев даже на схеме видно что 2 ватта это когда вода уже кипит, до этого значительно больше. В рекламе очень красиво все описывается как эти приспособы помогают с электричеством в трудных ситуаций, но почему то никто не сказал, сколько нужно кружек и ковшиков чая выпить за 3-5 часов пока заряжается телефон к примеру. При этом нужно постоянно следить за водой что бы не выкипела или постоянно снег черпать. Щепочница Есть варианты посерьезнее, в виде печи. Характеристики печи: Выходная электрическая мощность Вт 50 Выходное напряжение В 12 Цена в Украине 16200 грн. (люди опомнитесь, жадность погубит!) Цитаты из рекламы печи: -аналогов которой ни в России, ни в остальном мире нет. -Зачастую эти спасительные 50 ватт могут стать гранью между жизнью и смертью. -Надежность электрогенераторов не вызывает сомнений, поскольку уже много лет поставляются сотням фирм-потребителей в 17 стран мира. Очень громкие заявления, особенно про то что они единственные в мире и поствляют даже в японию и десятки других стран, ну просто на расхват. Хотя знающие люди говорят что дальше пробной партии ничего не идет,

потому как за такие деньги это добро и нах никому не надо. Что поделаешь, реклама…

Вместо печи можно приобрести отдельно сам термомодуль

опять же наш и импортный Длина 290 мм Ширина 100 мм Высота 100 мм Масса не более 4,5 кг Выходное напряжение 9 В Выходная мощность не менее 2,0 Вт Компактность таких модулей достигнута тем, что часть вырабатываемой энергии идет на работу охлаждающих вентиляторов, а само тепло отводится радиаторами с тепловыми трубками. Иначе все это было бы обвешано десятками килограммов охлаждающих радиаторов. Есть уже готовые сборки модулей с радиаторами, при использовании пасивной системы охлаждения радиторы получаются огромными

Переходим к термопарам свими руками.

Многие и не раз видели описание опытов с кружкой и этой картинкой.
Эта статья за последние 5-7 лет наверное уже сотни раз побывала на разных сайтах и форумах телефон с фото уже настолько морально устарел, что никто не помнит когда они вообще использовались. Но статья смакуется много раз и перепечатывается. И самая моя любимая тема «костровый модуль» ))) Тоже статья которая много раз перепечатывалась на разных сайтах, вызвала много одобрения и похвал. Узнать ее можно вот по этим картинкам
Что хочется сказать что бы не ругаться матом, наверное ничего! По заявлению автора достаточно втыкнуть возле костра и электричество потечет. На модели радиатор охлаждения размером 2*3 см всего, к тому же намного меньше радиатора нагревания. Теперь сравните с фото радиаторов которые должны быть минимальными для такого модуля. Разница в размерах в сотни раз!!! при том что радиатор охлаждения должен быть больше в несколько раз нагревателя. Автор заявляет что модуль можно вообще положить в консервную банку с углями и спокойно на ходу подзаряжать телефоны и фонари.

Термоэлектрика очень интересна.

Поэтому много появляется не чистых наруку людей что бы содрать денюжку из бюджета на это. КПД термомодулей в режиме генерации модулей очень низкий 2.5-3% А на каждый ватт получаемой энергии идет примерно 0.5-1 кг радиаторов охлаждения. Выдержки из проекта: Электрический ток в термогенераторе будет вырабатываться за счет разницы температур. По словам ученых, чтобы началось движение электронов, достаточно разницы в 30 градусов, которая возникает между нагревателем: выхлопной трубой и охлаждающим элементом. «По нашим оценкам, выходная мощность термогенератора может достичь 750 Ватт. Это сравнимо с мощностью генераторов, которые сейчас используются в автомобиле» — сказал младший научный сотрудник. Выпуск наноструктурированных элементов Пельтье будет организован в Зеленограде корпорацией РОСНАНО На реализацию проекта планирует затратить пять миллиардов рублей. Никто не ослышался, пять миллиардов рублей!.. Явно деньги подерибанят те кто запросил и те кто выделил. 750 ватт это тоже очень круто, при том что на самых новых автомобилях BMW уже ставят такие модули, но они вырабатывают 20 ватт всего. Может потому что они не хотят на машине возить пол тонны радиаторов? Через несколько лет скажут как обычно, мы освоили все деньги, но ничего не получилось. Может проще на такие деньги покупать BMW и отрывать у них эти преобразователи, дешевле ведь выйдет! Теперь опыты. Сначала обратимся к опыту Левы с сайта overclockers.ru 50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения. Подключаем воду к охладителю и питание к Пельтье, проверяем работу элемента. Через десять минут брусок охладился до -10 градусов, а через 30 ещё больше. В помещении 22 градуса. Теперь отключаем блок питания и вместо него припаиваем 10Вт 6 вольтовою лампочку и ставим наш агрегат на конфорку. Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта. Отключаем подачу воды, и ставим на охладитель большой радиатор. Результат предсказуем, напряжение снизилось до трёх вольт, ток до 0.5А. За пятнадцать минут радиатор нагрелся до 45 градусов. Какой можно сделать вывод из этого опыта. Элемент Пельтье вполне можно применить как термогенератор электричества. Но ни о каком костровом модуле не может быть и речи! Это натуральное вранье и развод. Что мы видим на фото кострового модуля, маленький радиатор едва закрывающий сам модуль, собственно а где же разница температур берется? Это все равно если бы вы положили кастрюлю с водой, как в сказке если кто помнит, с одной стороны кастрюля кипела, а с другой покрылась толстым слоем льда. )) Так называемый костровый модуль работает, но всего в течении одной минуты пока весь не прогреется. Если на массивном радиаторе весом полтора кг. мощность значительно упала, то что бы держать приемлемую разницу температур пассивный радиатор должен быть еще больше и хорошо охлаждаться. Кто то готов взять с собой в поход 3 кг балласта что бы получить 1.5 ватт энергии? А теперь представьте примерно две одинаковые статьи, в одной автор пишет я собрал термогенератор, но он весит 3 кг и выдает 2 ватта энергии. Второй автор пишет, я собрал костровый модуль весом 120 грамм который выдает 2 ватта энергии. Теперь вопрос: какая статья будет более популярная и получит больше отзывов? Наверное все догадались. Теперь мои эксперименты. Фото не очень много потому что они умерли вместе с диском 1ТБ. (спи спокойно дорогой друг! с собой ты унес 8 лет трудов, архивов и фотографий) Фото моих модулей. Изначально планировались эксперименты получить отрицательные температуры на радиаторе, а выработка электричества попутные исследования. Руководствуясь правилом: если делать, то делать хорошо! Для максимального эффекта решил использовать радиаторы с медной подошвой и кулером, для лучшего теплоотвода, которые были куплены на радиорынке по 30 грн. за шт. На токарном станке 16К20(вещь!) войлочным кругом отполировались основания радиаторов до зеркального блеска, получилось медное зеркало. Изначально хотел только убрать царапины, но увлекся. )) На фото видно отражение пятачка и всего что попало в кадр. Сбоку остатки пасты Гои. Опыты проводились летом, при температуре +38, так что значительного охлаждения ждать не приходилось. Поверхности оказались настолько идеально ровными, что подтвердился школьный курс физики о взаимном притяжении молекул разных тел. На фото слегка притертые поверхности из за молекулярного притяжения держатся и не падают, а вес радиатора почти 500 грамм. Используется модуль TEC-12709 как самый оптимальный по соотношению цена-мощность. Блок питания от приставки Xbox 360, выход 12V, 16A. Идеальный вариант для любых экспериментов. Дальше самоделки, поверхности смазаны термопастой и притянуты самодельными хомутами. Первый эксперимент был не очень удачным, но подтвердил теорию. Как оказалось, температура холодного радиатора не понизилась ниже +27 градусов. Причиной тому массивный радиатор для охлаждения и кулер который выдувал весь холод. Горячий радиатор не смотря на его массивность и кулер нагрелся до +60 градусов. Так продолжалось минут 10, потом стало еще хуже +72, горячий не справлялся с охлаждение и начал через сам термоэлемент нагревать радиатор который по определению должен быть холодным. Отсюда и подтвердились мои догадки и предположения, Горячий радиатор должен быть или в 5 раз массивнее холодного с принудительным охлаждением, или быть на качественных тепловых трубках. Дальше было решено уменьшить радиатор холодный до уровня который обычно используется в переносных холодильниках, а охлаждающий радиатор заменить. А так как радиатор менять было не на что, он просто лежал в миске с холодной водой. При температуре окружающего воздуха +38, холодный радиатор дотянул до 0 градусов. дальше вода начала нагреваться в миске и соответственно начала расти на холодной стороне. На фото виден конденсат таяния инея и пористая прокладка которую использовал что бы эффективнее отделить тепло и холод. Эксперимент второй. Маленький радиатор этой конструкции нагревался на газовой печке, а радиатор охлаждения был подключен к блоку питания для охлаждения кулером. Во избежание расплава паяных элементов внутри модуля не нагревался выше 130 градусов. Как и предполагалось охлаждение не справлялось, это с массивным радиатором 500 гр. и еще охлаждение кулером. Привет костровому модулю на палочке весом 30-40 гр. радиатора для охлаждения. )))) Пробовал вдоль ребер радиатора проливать холодную воду для доп. охлаждения, которая стекала в мисочку возле горелки. Таких фото не было точно, потому что 4 и 5 рук у меня еще не выросло. С шаманством холодной водой результаты такие, напряжение выдало 2.6 вольта, ток не мерял, но думаю не больше 500-550 мАч. В общем не перегревая модуль теоритически можно снять 2-3 ватта мощности при нормальном охлаждении. В планах собрать конструкцию из 10 модулей.

Мораль всей басни такова:

Хоть и модули Пельтье имеют очень низкий КПД на уровне 3%, но не имеют никаких подвижных частей, поэтому при правильной настройке, расположении возле печи и охлаждении,

могут вырабатывать электричество хоть и не много, но на протяжении десятков лет.

источник

( Модуль Платье,термогенератор,термомодуль,термопара своими руками,Термопары,термоэлектрика,термоэлектрические модули,Элемент Платье,эффект Платье, КПД)

Источник: /ecotoc.ru/alternative_energy/free_energy/d912

ПОИСК

Выше при обсуждении природы термоэлектричества рассматривался только эффект Зеебека, который представляет основу для из.мерения температуры термопарами. Остановимся кратко на других проявлениях термоэлектричества — эффектах Пельтье и Томсона.
 [c.

270]

Эффект Пельтье возникает при протекании тока через спай двух различных металлов и проявляется в выделении или поглощении тепла, которое пропорционально току. В принципе это явление может быть использовано для нагрева или охлаждения, что зависит от направления тока через спай.

 [c.270]

Теория твердого тела не позволяет вычислить заранее величину, а часто даже знак термо-э.д.с. и эффектов Пельтье и Томсона, однако она объясняет большинство свойств термопар. Например, зависимость термо-э.д.с. от давления вытекает из зависимости между уровнем Ферми и постоянной решетки. По той же причине изменения в структуре решетки в результате появления вакансий, а также дальнего или ближнего порядка приведут к изменениям термо-э.д.с. Точно так же введение примесей и механических напряжений окажет влияние на термопару, поскольку термо-э.д.с. очень чувствительна к изменениям в рассеянии электронов.
 [c.273]

В лабораторной практике ледяная ванна обычно наиболее удобна для стабилизации температуры опорного спая, однако в промышленности это не так. Существуют различные способы стабилизации температуры опорного спая, которая не обязательно должна быть равна 0°С.

Можно использовать холодильники, работающие за счет эффекта Пельтье, которые удобны, если применяется большое число термопар. Главный недостаток их заключается в том, что при температуре 0°С трудно обеспечить достаточное погружение спаев термопар в охлаж-
 [c.

305]

Весьма слабый термомеханический эффект должен, строго говоря иметь место и в обычных жидкостях аномальным у гелия II является боль шая величина этого эффекта.

Термомеханический эффект в обычных жидко стях представляет собой необратимое явление типа термоэлектрического эф фекта Пельтье (фактически такой эффект наблюдается в разреженных газах см. X, задача I к 14).

Такого рода эффект должен существовать и в гелии II, но в этом случае он перекрывается значительно превосходящим его описанным ниже другим эффектом, специфическим для гелия 11 и не имеющим ничего общего с необратимыми явлениями типа эффекта Пельтье,
 [c.710]

Эффект Пельтье. При прохождении электрического тока в термически однородной системе в месте соединения двух различных проводников выделяется или поглощается теплота (теплота Пельтье), пропорциональная силе тока.
 [c.22]

Эффект Пельтье. Из (8.81) и (8.

82) легко находим, что при прохождении в изотермических условиях через спай двух различных проводников электрического тока в спае выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) теплота, пропорциональная силе тока (эффект Пельтье).

Эффект Пельтье так же, как эффект Зеебека, можно наблюдать лишь при наличии двух разнородных проводников.
 [c.560]

Эффект Пельтье — в изотермических условиях и при фиксированном значении разности электрического потенциала на концах термодинамической пары в месте спая проводников выделяется либо поглощается теплота Пельтье,
 [c.201]

Необходимость существования эффекта Пельтье вытекает из следующих соображений. При равенстве температур спаев в замкнутой цепи (рис. 113) термоток отсутствует. При нагревании перехода 1 возникает термоток в направлении, показанном на рис. 113.

Это означает, что проходящий через переход ток уносит из перехода энергию, сообщаемую ему в форме теплоты, т. е. охлаждает переход.

Так доказывается необходимость существования эффекта Пельтье и правило, определяющее зависимость эффекта нагревания или охлаждения перехода в зависимости от направления
 [c.349]

Эффект Пельтье используется в охлаждающих устройствах и некоторых электронных приборах.
 [c.349]

Количество тепла, выделяющегося или поглощающегося при эффекте Пельтье, пропорционально плотности тока и времени его прохождения  [c.74]

Эффект, обратный явлению Зеебека, называют эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.
 [c.277]

Термогенераторы основываются на трех термоэлектрических эффектах эффекте Зеебека, когда в разомкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, концы которых находятся при различной температуре, возникает э. д. с.

эффекте Пельтье, когда при прохождении тока в термически однородной системе через стык двух различных проводников на стыке выделяется или поглощается теплота эффекте Томсона, когда в термически неоднородной системе помимо теплоты Джоуля выделяется теплота Томсона, пропорциональная градиенту температуры и силе тока. Математически эти эффекты соответственно записываются  [c.418]

Принципиальный интерес представляют электрические. Они работают на основе эффекта Пельтье, который рассматривался выше при пропускании электрического тока через замкнутую цепь из двух разнородных проводников один из спаев нагревается, а другой охлаждается. Значит, поместив нужный из них в комнате или шкафу, мы
 [c.150]

Эффект Пельтье состоит в том, что при пропускании тока через контакт двух разнородных материалов в дополнение к джоулеву теплу в контакте выделяется или поглощается тепло, количество которого Qn пропорционально заряду It, прошедшему через контакт  [c.263]

Легко видеть, что эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека. В первом случае пропускание тока по цепи приводит к возникновению в контактах разности температур, во втором—создание разности температур в контактах вызывает появление в цепи термо-э. д. с. и, следовательно, электрического тока. Термодинамическое рассмотрение этих явлений показывает, что между коэффициентом Пельтье и удельной термо-э. д. с. существует следующая простая связь  [c.265]

Для обеспечения стабильности температуры Гд теплоизолируемой поверхности, когда в окружающую среду с температурой Tj необходимо сбрасывать избыточную тепловую энергию при условии Т > Гц, может оказаться целесообразным использование термоэлектрических эффектов в термоизоляции [18]. Без затрат дополнительной энергии такой процесс термодинамически невозможен. Передать тепловую энергию в направлении повышения температуры удается за счет энергии электрического тока, протекающего в цепи из разнородных проводников, которые обладают достаточно сильно выраженным эффектом Пельтье. Этот эффект заключается в выделении (или поглощении) тепловой мощности в месте контакта разнородных материалов в зависимости от направления тока I и количественно характеризуется выражением [28]  [c.79]

Если I = то множитель при в выражении для J (Т) обращается в нуль, т.е. функционал не имеет экстремума.

Для I > If этот множитель становится отрицательным, так что стационарное значение функционала оказывается максимумом и соответствующее ему значение Т2 теряет физический смысл.
 [c.81]

Твердотельные — установки, в которых для охлаждения используется твердое рабочее тело. Кроме полупроводниковых установок, основанных на использовании эффекта Пельтье, к этой группе относятся установки, в которых используется элект-
 [c.213]

Остановимся еще на одном физическом эффекте, неразрывно связанном с эффектом Зеебека. Речь идет об эффекте, открытом в 1834 г. французским физиком Ж. Пельтье. Существо эффекта Пельтье состоит в следующем.

Если через цепь, составленную из двух разнородных проводников, пропускать ток от внешнего источника электроэнергии, то один из спаев цепи поглощает, а другой выделяет тепло. При изменении направления тока в спае, который поглощал тепло, будет происходить выделение тепла, а другой спай, в котором ранее тепло выделялось, будет поглощать тепло.

При этом количество тепла Q, поглощаемого или выделяющегося в спае, оказывается пропорциональным силе тока I  [c.404]

Индекс п указывает на то, что это тепло связано с эффектом Пельтье.
 [c.404]

Эти соотношения позволяют найти величину всех трех термоэлектрических эффектов, если известен хотя бы один и если 5 или р, известны в небольшом интервале температур вблизи Т. Применяемые на практике методы определения 5, р и П изложены в работах Бернара [3] и Блатта [12].

Наличие необратимых процессов делает сомнительным применение второго начала термодинамики в обратимой форме, однако Томсон получил правильный результат. Общая теория, рассматривавшая одновременно обратимые и необратимые процессы, была развита в 1931 г. Онсагером [47, 48].

Ее основы изложены Бернаром [3].
 [c.271]

Термозлемент — теплоэлектрический прибор, основанный на использовании термоэлектрического эффекта или электротермического эффекта Пельтье и предназначенный для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую или обратно различают термоэлементы металлические, полупроводниковые и комбинированные [9].
 [c.155]

Эффект Пельтье состоит в том, что при прохождении тока через спай различных проводников кроме джоу-лева тепла выделяется или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество тепла Qrii пропорциональное протекающему через контакт заряду (т. е. силе тока / и времени t),
 [c.560]

), заключающемся в том, что при прохождении электрического тока по замкнутой цепи проводников-термоэлементов один из спаев проводников охлаждается, а другой нагревается. К этой же группе холодильных установок относятся устройства, основанные на термомагнитном эффекте Эттингсхаузена.

В холодильных установках этого типа хладагент отсутствует.
 [c.176]

Определим количество теплоты источника теплоты температуры в единицу времени. Основная составная часть — теплота q, преобразуемая в электрическую энергию.

Она определяется на основании эффекта Пельтье, согласно которому обратимое выделение теплоты на спае двух проводников при прохождении тока пропорционально силе тока поэтому q = л/, где л — коэффициент Пельтье, являющийся функцией температуры я = Я1 1ц — Пц 1п i — сила тока в цепи термогенератора.
 [c.

577]

Эффект, обратный явлению Зее-бека, называют эффектом Пельтье (электротермическим эффектом Пельтье). Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт дв лс разнородньк полупроводников
 [c.74]

Криостаты, которые служат обычно оболочками приборов, часто соединяют с криогенными установками. Используют также эффекты Пельтье, Эгтингсга-узена и др., которые будут рассмотрены в дальнейшем. По мере того как будут совершенствоваться техника получения и поддержания низких температур и сами электронные приборы, криоэлектроника все шире будет входить в жизнь.
 [c.208]

Для термоэлектрического охлаждения необходим материал с высокими значениями коэффициента Пельтье и удельной электропроводности.

Последнее требование обусловлено тем, что в добавление к теплу Пельтье всегда выделяется и джоулево тепло и, чтобы эффект джоулева нагрева не перекрыл эффект охлаждения, необходимы материалы с хорошей электропроюдностью.

С другой стороны, при одном- и том же количестве тепла, выделяющемся вследствие эффекта Пельтье на одном контакте и поглощающемся на другом, разность температур между контактами будет тем больше, чем меньше теплопередача от горячего конца проводника к холодному, т. е. чем меньше коэффициент теплопроводности.
 [c.265]

Эффект Эттингсгаузена может быть использован в тех же устройствах, что и эффект Пельтье, — в устройствах кондиционирования воздуха, охлаждения, термостатирования и т. п., где требуется перекачка тепла.

При этом материал, используемый для этих целей, так же как и в элементах Пельтье, должен обладать по возможности меньшей теплопроводностью, чтобы перетекание тепла от горячей грани образца к холодной было затруднено. Однако требования к комбинации других параметров полупроводника несколько иные, чем при использовании эффекта Пельтье.

Поэтому в некоторых случаях применение эффекта Эттингсгаузена является предпочтительным по сравнению с эффектом Пельтье.
 [c.271]

Источник: /mash-xxl.info/info/21184/