Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Вступ

Ефект Пельтьє — термоелектричне явище, у якому відбувається виділення чи поглинання тепла під час проходження електричного струму місці контакту (спаю) двох різнорідних провідників.

Ефект Зеєбека - явище виникнення ЕРС в замкненому електричному ланцюзі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться за різних температур.

Обидва ці ефекти відкриті в XIX столітті: Ж. Пельтьє в 1834 році, суть явища досліджувався декількома роками пізніше - в 1838 Ленц, який провів експеримент, в якому він помістив краплю води в поглиблення на стику двох стрижнів з вісмуту і сурми. Т. І. Зеєбеком відкрив однойменний ефект у 1821. У 1822 році він опублікував результати своїх дослідів у статті «До питання про магнітну поляризацію деяких металів і руд, що виникає в умовах різниці температур», опублікованій у доповідях Прусської академії наук

Мене зацікавила ця тема тому, що елементи, вигадані у далекому XIX столітті, досі ефективно використовуються в сучасних пристроях. Незважаючи на те, що в кожному конкретному випадку підбирається елемент з потрібними параметрами, теорія та джерела свідчать, що елементи взаємозамінні. Так це чи ні, ми плануємо перевірити у своєму дослідженні.

Постановка проблеми:

Обидва ефекти (ефект Пельтьє та ефект Зеєбека) мають широке застосування в сучасній техніці, а принцип роботи елементів, створених на їх основі, доступний для розуміння в рамках вивчення шкільного курсу фізики. Тим часом ці ефекти не згадуються у шкільному курсі фізики. Ця робота, крім прикладного значення, має і важливий методологічний аспект, пов'язаний із включенням до шкільного курсу опису різних досягнень науки.

Гіпотеза дослідження:існують відмінності при використанні прямого та зворотного ефектів Пельтьє та Зеєбека.

Мета дослідження:виявлення відмінних рис ефекту Пельтьє та ефекту Зеебека при їх використанні у прямому та зворотному напрямку.

Завдання дослідження:

Вивчити історію відкриття ефекту Пельтьє та ефекту Зеєбека.

Вивчити особливості прямого та зворотного ефекту Пельтьє, прямого та зворотного ефекту Зеєбека.

Створити установку щодо експерименту.

Провести серію експериментів із перевірки гіпотези.

Провести аналіз результатів експерименту і зробити висновок про те, чи підтвердилася гіпотеза.

Об'єкт дослідження:елемент Пельтьє та елемент Зеєбека.

Предмет дослідження:особливості прямого та зворотного ефекту ефекту Пельтьє та прямого та зворотного ефекту Зеєбека.

Методи дослідження

У дослідженні застосовувалися такі методи:

1. Теоретичні:

Аналіз джерел інформації з історії відкриття ефектів Пельтьє і Зеєбека, що розглядаються в роботі,

Аналіз відомостей про принцип дії елементів Пельтьє та Зеєбека,

Аналіз одержаних експериментальних даних.

Неповна індукція: формулювання виведення на основі даних, що не охоплюють всіх аспектів та можливих комбінацій характеристик об'єктів, що досліджуються.

2. Емпіричні:

Проведення серії експериментів із метою перевірки гіпотези.

Це дослідження відноситься до прикладних. Результати дослідження дадуть відповідь на ефективність можливості взаємозамінності елементів Пельтьє та Зеєбека.

Аналіз джерел

При описі досліджуваних ефектів всі джерела згадують що існує «ефект Пельтьє та його зворотний ефект, так званий, ефект Зеєбека», при цьому про зворотний ефект Зеєбека не згадується. У ході цієї роботи, крім виявлення прямого та зворотного ефектів Пельте та порівняння зворотного ефекту Пельтьє з прямим ефектом Зеєбкека, ми перевіримо існування зворотного ефекту Зеєбека.

Про актуальність досліджуваного питання говорить, що увага, яку приділяють вивченню цих ефектів зарубіжні підручники. Вони дається як опис аналізованих ефектів, а й пояснення, а як і розповідається про застосування.

Сайт російського виробника навчального обладнання ТОВ "3Б Сайнтифік" пропонує лабораторну установку "Ефект Зеєбека" вартістю 229 873,00 руб. , До якої додається методична технологія. Після її вивчення ми дійшли висновку, що подібний експеримент можна провести на обладнанні, що не потребує таких високих витрат.

Основна частина Ефект Пельте

Ефеект Пельтьє - термоелектричне явище перенесення енергії під час проходження електричного струму на місці контакту (спаю) двох різнорідних провідників, від однієї провідника до іншого. Також є зворотним ефектом ефекту Зеєбека, але при цьому може виконувати його функції.

При нагріванні однієї сторони та охолодженні іншої сторони цей елемент може виділяти електрику. І також цей елемент має зворотний ефект, тобто, при підключенні цього елемента до електрики одна сторона буде охолоджуватися, а інша нагріватися.

Причина виникнення явища Пельтьє ось у чому. На контакті двох речовин є контактна різниця потенціалів, що створює внутрішнє контактне поле. Якщо через контакт протікає електричний струм, це поле сприятиме проходженню струму, або перешкоджати. Якщо струм йде проти контактного поля, то зовнішнє джерело має витратити додаткову енергію, що виділяється в контакті, що призведе до його нагрівання. Якщо ж струм йде у напрямку контактного поля, він може підтримуватися цим полем, що й здійснює роботу з переміщенню зарядів. Необхідна для цього енергія відбирається у речовини, що призводить до охолодження їх у місці контакту.

Ефект Зеєбека

Ефект Зеєбека-Явлення виникнення ЕРС в замкненому електричному ланцюзі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться при різних температурах.

Якщо вздовж провідника існує градієнт температури, то електрони на гарячому кінці набувають більш високих енергій та швидкості, ніж на холодному; у напівпровідниках, крім цього, концентрація електронів провідності зростає з температурою. В результаті виникає потік електронів від гарячого кінця холодного. На холодному кінці накопичується негативний заряд, але в гарячому залишається некомпенсированный позитивний заряд. Процес накопичення заряду триває до тих пір, поки різниця потенціалів, що виникла, не викличе потік електронів у зворотному напрямку, рівний первинному, завдяки чому встановиться рівновага.

ЕРС, виникнення якої описується даним механізмом, називається об'ємною ЕРС.

Особливості елементів Пельтьє та Зеєбека

Головною особливістю цих елементів є те, що елемент Пельтьє має зворотний ефект, а ось елемент Зеєбека не має. І це не дивлячись на те, що зворотним ефектом елемента Пельтьє є ефект елемента Зеєбека.

У результаті широке застосування у різних галузях отримав ефект Зеєбека.

Елемент Пельтьє є повною протилежністю до пристроїв, створених на основі ефекту Зеєбека. У разі, навпаки, під впливом електричного струму утворюється різниця температур на робочих майданчиках конструкції. Таким чином, за допомогою електричного струму здійснюється перенос тепла з однієї термопари на іншу. При зміні напрямку струму сторона, що нагрівається, прийматиме протилежний стан.

Цей ефект відбувається у двох різнорідних провідниках з однаковою провідністю. У кожному з них електрони мають різне значення енергії і розташовані вони на дуже близькій відстані між собою. В результаті відбудеться перенесення зарядів з одного середовища в інше, і електрони з більш високою енергією на тлі низьких рівнів, віддадуть надлишки кристалічних ґрат, викликаючи нагрівання. При нестачі енергії вона, навпаки, передається від кристалічних ґрат, приводячи до охолодження спаю.

Застосування ефекту Пельтьє та ефекту Зеєбека

Ефекти, що вивчаються, застосовуються для створення термодатчиків, термоелектрогенераторів, а також використовуються в комп'ютерах для поліпшення охолодження процесора.

В даний час ефект Зеєбека застосовується в інтегрованих датчиках, у яких відповідні пари матеріалів наносяться на поверхню напівпровідникових підкладок. Приклад таких датчиків є термоелемент для виявлення теплових випромінювань. Оскільки кремній має досить великий коефіцієнт Зеєбека, на його основі виготовляються високочутливі термоелектричні детектори.

Одне із значних обмежень, що виникають під час використання термоелектричного перетворювача, полягає у низькому коефіцієнті ефективності - 3-8%. Але якщо немає можливості проведення стандартних ліній електропередач, а навантаження на мережу передбачаються невеликі, тоді застосування термоелектричних генераторів цілком виправдане. Насправді, пристрої, що працюють на ефекті Зеєбека, можуть застосовуватися в різних сферах:

1. Енергозабезпечення космічної техніки;

2. Живлення газо- та нафто- обладнання;

3. Побутові генератори;

4. Системи морської навігації;

5. Опалювальні системи;

6. Експлуатація автомобільного тепла, що відводиться;

7. Перетворювачі сонячної енергії;

8. Перетворювачі тепла, яке виробляється природними джерелами (наприклад, геотермальними водами).

Ефект Пельтьє використовується у двох ситуаціях: коли треба або підвести тепло до місця з'єднання матеріалів, або відвести його, що здійснюється зміною напряму струму. Ця властивість знайшла своє застосування у пристроях, де потрібно здійснювати прецизійний контроль за температурою. Елементи Пельтьє застосовуються в ситуаціях, коли необхідно охолодження з невеликою різницею температур, або енергетична ефективність охолоджувача не є важливою. Наприклад, елементи Пельтьє застосовуються в маленьких автомобільних холодильниках, так як застосування компресора в цьому випадку неможливе через обмежені розміри і, крім того, необхідна потужність охолодження невелика.

Крім того, елементи Пельтьє застосовуються для охолодження пристроїв із зарядним зв'язком у цифрових фотокамерах. За рахунок цього досягається помітне зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях (наприклад, в астрофотографії). Багатоступінчасті елементи Пельтьє застосовують для охолодження приймачів випромінювання в інфрачервоних сенсорах.

Також елементи Пельтьє часто застосовуються:

1. Для охолодження та термостатування діодних лазерів, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання;

2. У комп'ютерній техніці;

3. У радіоелектричних пристроях;

4. У медичному та фармацевтичному устаткуванні;

5. У побутовій техніці;

6. У кліматичному устаткуванні;

7. У термостатах;

8. В оптичній апаратурі;

9. Для керування процесом кристалізації;

10. Як підігрів з метою опалення;

11. Для охолодження напоїв;

12. У лабораторних та наукових приладах;

13. У льодогенераторах;

14. У кондиціонерах;

15. Для отримання електроенергії;

16. В електронних лічильниках витрати води.

Звичайно, охолодні пристрої Пельтьє навряд чи підходять для масового використання. Вони досить дорогі та вимагають правильного режиму експлуатації. Сьогодні це швидше інструмент для любителів розгону процесорів. Однак у разі потреби сильного охолодження процесорів кулери Пельтьє є найефективнішими пристроями.

З'явилися повідомлення про експерименти з вбудовування мініатюрних модулів Пельтьє безпосередньо до мікросхем процесорів для охолодження їх найбільш критичних структур. Таке рішення сприяє кращому охолодженню за рахунок зниження теплового опору та дозволяє значно підвищити робочу частоту та продуктивність процесорів.

Роботи у напрямку вдосконалення систем забезпечення оптимальних температурних режимів електронних елементів проводяться багатьма дослідницькими лабораторіями. І системи охолодження, що передбачають використання термоелектричних модулів Пельтьє, вважаються надзвичайно перспективними.

Опис експериментальної установки

Для проведення експерименту було створено установку, що дозволяє отримати необхідні дані.

Для зменшення теплообміну із навколишнім середовищем необхідно створити термостат. В експериментальній установці це досягнуто за допомогою теплоізоляційних матеріалів, що використовуються при будівництві, в якому створені дві ванни, розділені в одному випадку елементів Пельтьє, в іншому випадку елементом Зеєбека. Як ванна використовувалися вологонепроникні коробочки від соку. Гідроізоляція елементів досягнута за допомогою клейового пістолета.

Для проведення експерименту були підібрані елементи Пельтьє та Зеєбека з близькими характеристиками: робоча напруга та потужність.

Як вимірювальні прилади для фіксації температури використовувалися мультиметри.

Значення напруги знімали також за допомогою мультиметра або вольтметра.

Методика проведення експерименту

Залежно від досліджуваного елемента, у різні секції ванн заливалася або вода різної температури (прямий ефект Зеебека і зворотний ефект Пельтьє), або вода однакової температури для виявлення прямого ефекту Пельтьє і зворотного ефекту Зеебека).

Покази датчиків температури заносилися до таблиці (додаток 1), на основі якої були побудовані графіки залежності напруги від температури.

Кожен експеримент проводився протягом 7 - 10 хвилин.

Результати експерименту

На підставі даних, отриманих у ході чотирьох експериментів, побудовано графіки

В ході експерименту спостерігається прямий ефект Зеєбека і зворотний ефект Пельтьє відповідних елементів, значення напруги на яких приблизно однакові. Як видно з графіка, залежність напруги на елементі від різниці температур поверхонь аналогічні. Відмінність у значеннях пояснюється різницею в характеристиках об'єктів.

Порівняння прямого ефекту Пельтьє та зворотного ефекту Зеєбека

Зворотний ефект Зеєбека

Як видно з графіка, з урахуванням похибок, пов'язаних з конструктивними особливостями приладу (вказано в інструкції) можна вважати, що температура під час експерименту не змінювалася, що говорить про те, що зворотний ефект Зеєбека не зареєстровано.

Про це можна судити і за графіком додавання лінії тренду

Прямий ефект Пельтьє

Експеримент підтвердив наявність прямого ефекту Пельтьє: в одній частині ванни температура збільшувалася, в іншій падала.

Аналогічний висновок випливає із аналізу зміни різниці температур двох сторін елемента Пельтьє.

Висновок:

Елемент Пельтьє має як прямий, так і зворотний ефект. Елмент Зеєбека можна використовувати тільки в прямому напрямку.

ВИСНОВОК

При роботі над дослідженням на основі доступних джерел вивчено історію та особливості прямого та зворотного ефекту Пельтьє, прямого та зворотного ефекту Зеєбека.

Створення ефективної установки дозволило якісно провести заплановані експерименти для підтвердження висунутої гіпотези.

У ході дослідження виявлено відмінні риси ефекту Пельтьє та ефекту Зеебека при їх використанні у прямому та зворотному напрямку.

Цілком підтвердилося припущення про відсутність зворотного ефекту Зеєбека. Виходячи з цього твердження слід пам'ятати, що такі елементи як елемент Пельтьє та Зеєбека ефективніше використовувати за прямим призначенням, хоча існує можливість використання прямого еффета Зеєбека і зворотного ефекту Пельтьє. За наявності конструктивних подібностей, все-таки дотримання технології слід працювати з конкретним ефектом.

Після детального вивчення ефекту Пельтьє можна зробити висновок: незважаючи на те, що використання ефекту Пельтьє вимагає додаткових заходів та досліджень щодо вивчення безпечного та раціонального використання модулів Пельтьє як охолоджувальних пристроїв, це явище надзвичайно перспективне.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Ландау Л.Д., Ліфшиц Є.М. Теоретична фізика: Навч. посіб.: Для вузів. У 10. т. Т. VIII. Електродинаміка суцільних середовищ. - 4-те вид., стереот.-м.: Фізматліт, 2000. - 656 с.

2. Наркевич І.І. Фізика: Навч./І.І. Наркевич, Е.І. Вомлянський, С.І. Лобко. – Мн.: Нове знання, 2004. – 680 с.

3. Ровел Г., Герберт С. Фізика / Пер. з англ. за ред. В.Г. Розумовського. - М: Просвітництво, 1994. - 576 с.: іл.

4. Сівухін С.Д. Загальний курс фізики. - М.: Наука, 1977. - Т.3. Електрика. - С.490-494.

5. Фізика: Енциклопедія. / Під. ред. Ю.В. Прохоров. - М: Велика Російська Енциклопедія, 2003. - 944 с.: іл., 2 л. кол.

6. Фізична енциклопедія, т. 5. Стробоскопічні прилади – яскравість/Гол. ред. А.М. Прохоров. ред. кільк.: Д.М. Балдін, Велика Російська Енциклопедія, 1998. – 760 с.

7. Vladimir Lank, Miroslav Vondra. Fizika v kocke. – Ceska republika: FRAGMENT, 2000. – 120 с. Підручник для середньої школи, Словацька республіка.

8. Tsokos K.A. Physics for the IB Diploma. Fifth edition. – UK: Cambridge Universyty Press, 2004. – 850 с. Підручник для програми міжнародного бакалаврату

9. Сайт компанії 3bscientific. [електронний ресурс]// https://www.3bscientific.ru/лабораторна-установка-ефект-зеебека-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (дата звернення: 18 лютого 2018 р.)

Додаток 1. Результати експериментів

Експеримент 1. Прямий ефект Зеєбека

Час t, з	Різниця температур Δ t, про С	Напруга U, В

Експеримент 2. Зворотний ефект Пельтьє

Час t, з	Температура холодної води t x , про	Температура гарячої води t г, про	Різниця температур Δ t, про С	Напруга U, В

Експеримент 3. Зворотний ефект Зеєбека

Час t, з	Температура холодної води t x , про	Температура гарячої води t г, про	Різниця температур Δ t, про С	Напруга

Експеримент 4. Прямий ефект Пельтьє

Час t, з	Температура холодної води t x , про	Температура гарячої води t г, про	Різниця температур Δ t, про С	Напруга U, В

Додаток 2. Фотографія установки

Напівпровідникові холодильники Пельтьє

Робота сучасних високопродуктивних електронних компонентів, що становлять основу комп'ютерів, супроводжується значним тепловиділенням, особливо під час експлуатації їх у форсованих режимах розгону (overclocking). Ефективна робота таких компонентів потребує адекватних засобів охолодження, що забезпечують необхідні температурні режими їхньої роботи. Як правило, такими засобами підтримки оптимальних температурних режимів є кулери, основою яких є традиційні радіатори та вентилятори.

Надійність та продуктивність таких засобів безперервно підвищуються за рахунок удосконалення їх конструкції, використання новітніх технологій та застосування у їх складі різноманітних датчиків та засобів контролю. Це дозволяє інтегрувати подібні засоби до складу комп'ютерних систем, забезпечуючи діагностику та керування їх роботою з метою досягнення найбільшої ефективності при забезпеченні оптимальних температурних режимів експлуатації комп'ютерних елементів, що підвищує надійність та подовжує термін їх безаварійної роботи.

Параметри традиційних кулерів безперервно покращуються, проте останнім часом на комп'ютерному ринку з'явилися і незабаром стали популярними такі специфічні засоби охолодження електронних елементів як напівпровідникові холодильники Пельтьє (хоча часто застосовується слово кулер, але правильним терміном у випадку елементів Пельтьє є саме холодильник).

Холодильники Пельтьє, що містять спеціальні напівпровідникові термоелектричні модулі, робота яких заснована на ефект Пельтьє, відкритому ще в 1834 р., є надзвичайно перспективними пристроями охолодження. Подібні засоби вже багато років успішно застосовуються у різних галузях науки та техніки.

У шістдесятих та сімдесятих роках вітчизняною промисловістю робилися неодноразові спроби випуску побутових малогабаритних холодильників, робота яких була заснована на ефекті Пельтьє. Проте недосконалість існуючих технологій, низькі значення коефіцієнта корисної дії та високі ціни не дозволили в ті часи подібним пристроям залишити науково-дослідні лабораторії та випробувальні стенди.

Але ефект Пельтьє та термоелектричні модулі не залишилися долею лише вчених. У процесі вдосконалення технологій багато негативних явищ вдалося істотно послабити. Внаслідок цих зусиль були створені високоефективні та надійні напівпровідникові модулі.

В останні роки дані модулі, робота яких заснована на ефект Пельтьє, стали активно використовувати для охолодження різноманітних електронних компонентів комп'ютерів. Їх, зокрема, стали застосовувати для охолодження сучасних потужних процесорів, робота яких супроводжується високим рівнем тепловиділення.

Завдяки своїм унікальним тепловим та експлуатаційним властивостям пристрої, створені на основі термоелектричних модулів – модулів Пельтьє, дозволяють досягти необхідного рівня охолодження комп'ютерних елементів без особливих технічних труднощів та фінансових витрат. Як кулери електронних компонентів, ці засоби підтримки необхідних температурних режимів їх експлуатації є надзвичайно перспективними. Вони компактні, зручні, надійні і мають дуже високу ефективність роботи.

Особливо великий інтерес напівпровідникові холодильники представляють як засоби, що забезпечують інтенсивне охолодження в комп'ютерних системах, елементи яких встановлені та експлуатуються в жорстких форсованих режимах. Використання таких режимів - розгону (overclocking) часто забезпечує значний приріст продуктивності застосовуваних електронних компонентів, а отже, як правило, і всієї системи комп'ютера. Однак робота комп'ютерних компонентів у подібних режимах відрізняється значним тепловиділенням і нерідко перебуває на межі можливостей комп'ютерних архітектур, а також існуючих мікроелектронних технологій. Такими комп'ютерними компонентами, робота яких супроводжується високим тепловиділенням, є не лише високопродуктивні процесори, а й елементи сучасних високопродуктивних відеоадаптерів, а в деяких випадках мікросхеми модулів пам'яті. Подібні потужні елементи вимагають для своєї коректної роботи інтенсивного охолодження навіть у штатних режимах і тим більше режимах розгону.

Модулі Пельтьє

У холодильниках Пельтьє використовують звичайний, так званий термоелектричний холодильник, дія якого заснована на ефекті Пельтьє. Цей ефект названий на честь французького годинникара Пельтьє (1785-1845 р.), який зробив своє відкриття понад півтора століття тому - в 1834 р.

Сам Пельтьє не зовсім розумів суть відкритого їм явища. Справжній сенс явища було встановлено декількома роками пізніше 1838 року Ленцем (1804-1865 р.).

У поглиблення на стику двох стрижнів з вісмуту та сурми Ленц помістив краплю води. При пропущенні електричного струму одному напрямку крапля води замерзала. При пропусканні струму в протилежному напрямку лід, що утворився, танув. Тим самим було встановлено, що при проходженні через контакт двох провідників електричного струму, залежно від напрямку останнього, крім джоулева тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтьє. Це явище одержало назву явища Пельтьє (ефект Пельтьє). Таким чином, воно є зворотним по відношенню до явища Зеєбека.

Якщо в замкненому ланцюгу, що складається з кількох металів або напівпровідників, температури в місцях контактів металів або напівпровідників різні, то в ланцюзі з'являється електричний струм. Це термоелектричного струму і було відкрито 1821 року німецьким фізиком Зеебеком (1770-1831 р.).

На відміну від тепла Джоуля-Ленца, яке пропорційно квадрату сили струму (Q=R·I·I·t), тепло Пельтьє пропорційне першому ступеню сили струму і змінює знак при зміні напрямку останнього. Тепло Пельтьє, як показали експериментальні дослідження, можна висловити за формулою:

Qп = П ·q

де q - кількість минулого електрики (q = I · t), П - так званий коефіцієнт Пельтьє, величина якого залежить від природи контактуючих матеріалів та від їх температури.

Тепло Пельтьє Qп вважається позитивним, якщо воно виділяється, і негативним, якщо воно поглинається.

Рис. 1. Схема досвіду для вимірювання тепла Пельтьє, Cu – мідь, Bi – вісмут.

У представленій схемі досвіду вимірювання тепла Пельтьє при однаковому опорі проводів R (Cu+Bi), опущених в калориметри, виділиться те саме джоулеве тепло в кожному калориметрі, а саме по Q=R·I·I·t. Тепло Пельтьє, навпаки, у одному калориметрі буде позитивно, а іншому негативно. Відповідно до даної схеми можна виміряти тепло Пельтьє та обчислити значення коефіцієнтів Пельтьє для різних пар провідників.

Слід зазначити, що коефіцієнт Пельтьє залежить від температури. Деякі значення коефіцієнта Пельтьє для різних пар металів представлені у таблиці.

Значення коефіцієнта Пельтьє для пар металів
Залізо-константан		Мідь-нікель		Свинець-константан
T, К	П, МВ	T, К	П, МВ	T, К	П, МВ
273	13,0	292	8,0	293	8,7
299	15,0	328	9,0	383	11,8
403	19,0	478	10,3	508	16,0
513	26,0	563	8,6	578	18,7
593	34,0	613	8,0	633	20,6
833	52,0	718	10,0	713	23,4

Коефіцієнт Пельтьє, що є важливою технічною характеристикою матеріалів, зазвичай не вимірюється, а обчислюється через коефіцієнт Томсона:

П = a · T

де П – коефіцієнт Пельтьє, a – коефіцієнт Томсона, T – абсолютна температура.

Відкриття ефекту Пельтьє дуже вплинув на подальший розвиток фізики, а надалі і різних областей техніки.

Отже, суть відкритого ефекту полягає в наступному: при проходженні електричного струму через контакт двох провідників, зроблених з різних матеріалів, залежно від його напрямку, крім джоулева тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтьє. Ступінь прояву даного ефекту значною мірою залежить від матеріалів вибраних провідників та електричних режимів.

Класична теорія пояснює явище Пельтьє тим, що електрони, що переносяться струмом з одного металу в інший, прискорюються або сповільнюються під дією внутрішньої різниці контактів потенціалів між металами. У першому випадку кінетична енергія електронів збільшується, а потім виділяється як тепла. У другому випадку кінетична енергія електронів зменшується, і це зменшення енергії поповнюється за рахунок теплових коливань атомів другого провідника. В результаті відбувається охолодження. Більш повна теорія враховує зміну не потенційної енергії при перенесенні електрона з одного металу до іншого, а зміна повної енергії.

Найбільш сильно ефект Пельтьє спостерігається у разі використання напівпровідників p- та n-типу провідності. Залежно від напрямку електричного струму через контакт напівпровідників різного типу - p-n- та n-p-переходів внаслідок взаємодії зарядів, представлених електронами (n) та дірками (p), та їх рекомбінації енергія або поглинається, або виділяється. В результаті даних взаємодій та породжених енергетичних процесів тепло або поглинається, або виділяється. Використання напівпровідників p- та n-типу провідності у термоелектричних холодильниках ілюструє рис. 2.

Рис. 2. Використання напівпровідників p- та n-типу в термоелектричних холодильниках.

Об'єднання великої кількості пар напівпровідників p- і n-типу дозволяє створювати охолодні елементи - модулі Пельтьє порівняно великої потужності. Структура напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтьє представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структура модуля Пельтьє

Модуль Пельтьє, є термоелектричний холодильник, що складається з послідовно з'єднаних напівпровідників p- і n-типу, що утворюють p-n- і n-p-переходи. Кожен із таких переходів має тепловий контакт із одним із двох радіаторів. Внаслідок проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтьє: один радіатор працює як холодильник, інший радіатор нагрівається та служить для відведення тепла. На рис. 4 представлений зовнішній вигляд типового модуля Пельтьє.

Рис. 4. Зовнішній вигляд модуля Пельтьє

Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад, що становить кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні радіатора, що нагрівається, другий радіатор — холодильник, дозволяє досягти негативних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтьє за умови забезпечення адекватного їх охолодження. Це дозволяє порівняно простими засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються. На рис. 5 наведено приклад каскадного включення типових модулів Пельтьє.

Рис. 5. Приклад каскадного увімкнення модулів Пельтьє

Прилади охолодження на основі модулів Пельтьє часто називають активними холодильниками або просто кулерами.

Використання модулів Пельтьє в активних кулерах робить їх значно ефективнішими порівняно зі стандартними типами кулерів на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Однак у процесі конструювання та використання кулерів з модулями Пельтьє необхідно враховувати низку специфічних особливостей, що випливають із конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури сучасних апаратних засобів комп'ютерів та функціональних можливостей системного та прикладного програмного забезпечення.

Велике значення має потужність модуля Пельтьє, яка, як правило, залежить від його розміру. Модуль малої потужності не забезпечує необхідний рівень охолодження, що може призвести до порушення працездатності електронного елемента, що захищається, наприклад, процесора внаслідок його перегріву. Однак застосування модулів занадто великої потужності може спричинити зниження температури охолоджуючого радіатора до рівня конденсації вологи з повітря, що є небезпечним для електронних ланцюгів. Це пов'язано з тим, що вода, яка безперервно одержується в результаті конденсації, може призвести до коротких замикань в електронних ланцюгах комп'ютера. Тут доречно нагадати, що відстань між струмопровідними провідниками на сучасних друкованих платах нерідко становить частки міліметрів. Тим не менш, незважаючи ні на що, саме потужні модулі Пельтьє у складі високопродуктивних кулерів та відповідні системи додаткового охолодження та вентиляції дозволили свого часу фірмам KryoTech та AMD у спільних дослідженнях розігнати процесори AMD, створені за традиційною технологією, до частоти, що перевищує 1 ГГц. , тобто збільшити їхню частоту роботи майже в 2 рази в порівнянні зі штатним режимом їх функціонування. І необхідно наголосити, що цей рівень продуктивності досягнуто в умовах забезпечення необхідної стабільності та надійності роботи процесорів у форсованих режимах. Ну, а наслідком такого екстремального розгону став рекорд продуктивності серед процесорів архітектури та системи команд 80х86. А фірма KryoTech добре заробила, пропонуючи на ринку свої установки охолодження. Забезпечені відповідною електронною начинкою, вони виявилися затребуваними як платформи високопродуктивних серверів і робочих станцій. А фірма AMD отримала підтвердження високого рівня своїх виробів та багатий експериментальний матеріал для подальшого вдосконалення архітектури своїх процесорів. До речі, аналогічні дослідження були проведені і з процесорами Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, в результаті яких був отриманий також значний приріст продуктивності.

Необхідно відзначити, що модулі Пельтьє у процесі своєї роботи виділяють порівняно велику кількість тепла. Тому слід застосовувати не тільки потужний вентилятор у складі кулера, але й заходи для зниження температури всередині корпусу комп'ютера для попередження перегріву інших компонентів комп'ютера. Для цього доцільно використовувати додаткові вентилятори у конструктиві корпусу комп'ютера для забезпечення кращого теплообміну з навколишнім середовищем поза корпусом.

На рис. 6 представлений зовнішній вигляд активного кулера, у складі якого використаний напівпровідниковий модуль Пельтьє.

Рис. 6. Зовнішній вигляд кулера з модулем Пельтьє

Слід зазначити, що системи охолодження на основі Пельтьє модулів використовуються не тільки в електронних системах, таких як комп'ютери. Подібні модулі використовуються для охолодження різних високоточних пристроїв. Велике значення модулі Пельтьє мають для науки. Насамперед це стосується експериментальних досліджень, що виконуються у фізиці, хімії, біології.

Інформацію про модулі та холодильники Пельтьє, а також особливості та результати їх застосування можна знайти на сайтах в Internet, наприклад, за такими адресами:

Особливості експлуатації

Модулі Пельтьє, що застосовуються у складі засобів охолодження електронних елементів, відрізняються порівняно високою надійністю, і на відміну від холодильників, створених за традиційною технологією, не мають частин, що рухаються. І, як це зазначалося вище, для підвищення ефективності своєї роботи вони допускають каскадне використання, що дозволяють довести температуру корпусів електронних елементів, що захищаються, до негативних значень навіть при їх значній потужності розсіювання.

Однак крім очевидних переваг, модулі Пельтьє має і низку специфічних властивостей та характеристик, які необхідно враховувати при їх використанні у складі охолоджувальних засобів. Деякі з них вже відзначені, але для коректного застосування модулів Пельтьє вимагають більш детального розгляду. До найважливіших характеристик належать такі особливості експлуатації:

Модулі Пельтьє, що виділяють у процесі своєї роботи велику кількість тепла, вимагають наявності у складі кулера відповідних радіаторів та вентиляторів, здатних ефективно відводити надлишкове тепло від модулів, що охолоджують. Слід зазначити, що термоелектричні модулі відрізняються відносно низьким коефіцієнтом корисної дії (ККД) і, виконуючи функції теплового насоса, вони є потужними джерелами тепла. Використання даних модулів у складі засобів охолодження електронних комплектуючих комп'ютера викликає значне зростання температури всередині системного блоку, що нерідко потребує додаткових заходів та засобів для зниження температури всередині корпусу комп'ютера. В іншому випадку підвищена температура всередині корпусу створює труднощі для роботи не тільки для елементів і їх систем охолодження, що захищаються, але і іншим компонентам комп'ютера. Необхідно також підкреслити, що модулі Пельтьє є порівняно потужним додатковим навантаженням для блоку живлення. З урахуванням значення струму споживання модулів Пельтьє величина потужності блока живлення комп'ютера повинна бути не менше ніж 250 Вт. Все це призводить до доцільності вибору материнських плат та корпусів конструктиву ATX із блоками живлення достатньої потужності. Використання цього конструктиву полегшує для комплектуючих комп'ютера організацію оптимальних теплового та електричного режимів. Слід зазначити, що є холодильники Пельтьє з власним блоком живлення.
Модуль Пельтьє, у разі виходу з ладу, ізолює охолоджуваний елемент від радіатора кулера. Це призводить до дуже швидкого порушення теплового режиму елемента, що захищається, і швидкого виходу його з ладу від наступного перегріву.
Низькі температури, що виникають у процесі роботи холодильників Пельтьє надмірної потужності, сприяють конденсації вологи з повітря. Це становить небезпеку для електронних компонентів, оскільки конденсат може спричинити короткі замикання між елементами. Для унеможливлення цієї небезпеки доцільно використовувати холодильники Пельтьє оптимальної потужності. Виникне конденсація чи ні, залежить від кількох параметрів. Найважливішими є: температура навколишнього середовища (в даному випадку температура повітря всередині корпусу), температура об'єкта, що охолоджується, і вологість повітря. Чим тепліше повітря всередині корпусу і чим більша вологість, тим швидше відбудеться конденсація вологи і наступний вихід з ладу електронних елементів комп'ютера. Нижче представлена таблиця, що ілюструє залежність температуру конденсації вологи на об'єкті, що охолоджується, залежно від вологості і температури навколишнього повітря. Використовуючи цю таблицю, можна легко встановити, чи існує небезпека конденсації вологи чи ні. Наприклад, якщо зовнішня температура 25°C, а вологість 65%, то конденсація вологи на об'єкті, що охолоджується, відбувається при температурі його поверхні нижче 18°C.

Температура конденсації вологи

Вологість, %
Температура навколишнього середовища, °C	30	35	40	45	50	55	60	65	70
30	11	13	15	17	18	20	21	23	24
29	10	12	14	16	18	19	20	22	23
28	9	11	13	15	17	18	20	21	22
27	8	10	12	14	16	17	19	20	21
26	7	9	11	13	15	16	18	19	20
25	6	9	11	12	14	15	17	18	19
24	5	8	10	11	13	14	16	17	18
23	5	7	9	10	12	14	15	16	17
22	4	6	8	10	11	13	14	15	16
21	3	5	7	9	10	12	13	14	15
20	2	4	6	8	9	11	12	13	14

Крім зазначених особливостей, необхідно враховувати і низку специфічних обставин, пов'язаних з використанням термоелектричних модулів Пельтьє у складі кулерів, які застосовуються для охолодження високопродуктивних центральних процесорів потужних комп'ютерів.

Архітектура сучасних процесорів та деякі системні програми передбачають зміну енергоспоживання залежно від завантаження процесорів. Це дозволяє оптимізувати їхнє енергоспоживання. До речі, це передбачено і стандартами енергозбереження, які підтримуються деякими функціями, вбудованими в апаратно-програмне забезпечення сучасних комп'ютерів. У звичайних умовах оптимізація роботи процесора та його енергоспоживання благотворно позначається як на тепловому режимі самого процесора, так і на загальному тепловому балансі. Проте слід зазначити, що режими з періодичною зміною енергоспоживання можуть погано поєднуватися із засобами охолодження процесорів, які використовують модулі Пельтьє. Це пов'язано з тим, що холодильники Пельтьє, як правило, розраховані на безперервну роботу. У зв'язку з цим найпростіші холодильники Пельтьє, що не володіють засобами контролю, не рекомендується використовувати разом з охолодними програмами, такими як, наприклад, CpuIdle, а також з операційними системами Windows NT/2000 або Linux.

У разі переходу процесора в режим зниженого енергоспоживання і тепловиділення можливе значне зниження температури корпусу і кристала процесора. Переохолодження ядра процесора може викликати в деяких випадках тимчасове припинення його працездатності, і, як наслідок, стійке зависання комп'ютера. Відповідно до документації фірми Intel мінімальна температура, при якій гарантується коректна робота серійних процесорів Pentium II і Pentium III, зазвичай становить +5 ° C, хоча, як показує практика, вони чудово працюють і за нижчих температур.

Деякі проблеми можуть виникнути і внаслідок роботи ряду вбудованих функцій, наприклад, тих, що здійснюють управління вентиляторами кулерів. Зокрема, режими управління енергоспоживанням процесора в деяких комп'ютерних системах передбачають зміну швидкості обертання вентиляторів, що охолоджують, через вбудовані апаратні засоби материнської плати. За звичайних умов це значно покращує тепловий режим процесора комп'ютера. Однак у разі використання найпростіших холодильників Пельтьє зменшення швидкості обертання може призвести до погіршення теплового режиму з фатальним результатом для процесора вже внаслідок його перегріву працюючим модулем Пельтьє, який, крім виконання функцій теплового насоса, є потужним джерелом додаткового тепла.

Як і у випадку центральних процесорів комп'ютерів, холодильники Пельтьє можуть бути гарною альтернативою традиційним засобам охолодження відеочіпсетів, що використовуються у складі сучасних високопродуктивних відеоадаптерів. Робота таких відеочіпсетів супроводжується значним тепловиділенням і зазвичай не схильна до різких змін режимів їх функціонування.

Для того, щоб виключити проблеми з режимами змінного енергоспоживання, що викликають конденсацію вологи з повітря і можливе переохолодження, а в деяких випадках навіть перегрів елементів, таких як процесори комп'ютерів, захищаються, слід відмовитися від використання подібних режимів і ряду вбудованих функцій. Однак як альтернативу можна використовувати системи охолодження, які передбачають інтелектуальні засоби керування холодильниками Пельтьє. Такі засоби можуть контролювати не тільки роботу вентиляторів, але й змінювати режими роботи самих термоелектричних модулів, що використовуються у складі активних кулерів.

Приклади холодильників Пельтьє

Порівняно недавно на комп'ютерному ринку з'явилися модулі Пельтьє вітчизняного виробництва. Це прості, надійні та порівняно дешеві ($7-$15) пристрої. Як правило, вентилятор, що охолоджує, не входить до складу. Тим не менш, подібні модулі дозволяють не тільки познайомитися з перспективними засобами охолодження, але й використовувати їх за прямим призначенням у системах захисту комп'ютерних компонентів. Ось короткі параметри одного із зразків.

Розмір модуля (Рис.7) — 40×40 мм, максимальний струм — 6 А, максимальна напруга — 15 В, потужність, що споживається, — до 85 Вт, перепад температур — понад 60 °C. При забезпеченні потужного вентилятора модуль здатний захистити процесор при розсіюваній ним потужності до 40 Вт.

Рис. 7. Зовнішній вигляд холодильника PAP2X3B

На ринку представлені як менш, так і потужніші варіанти вітчизняних модулів Пельтьє.

Спектр закордонних пристроїв значно ширший. Нижче наведено приклади холодильників, у конструкції яких використані термоелектричні модулі Пельтьє.

Активні холодильники Пельтьє фірми Computernerd

Назва	Виробник/постачальник	Параметри вентилятора	Процесор
PAX56B	Computernerd	ball-bearing	Pentium/MMX до 200 МГц, 25 Вт
PA6EXB	Computernerd	dual ball-bearing, тахометр	Pentium MMX до 40 Вт
DT-P54A	DesTech Solutions	dual ball bearing	Pentium
AC-P2	AOC Cooler	ball bearing	Pentium II
PAP2X3B	Computernerd	3 ball bearing	Pentium II
STEP-UP-53X2	Step Thermodynamics	2 ball bearing	Pentium II, Celeron
PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier	Computernerd	3 ball-bearing, тахометр	Pentium II, Celeron
PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier	Computernerd	3 ball-bearing, тахометр	Pentium II, Celeron
PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier	Computernerd	3 ball-bearing, тахометр	Pentium II, Celeron

Холодильник PAX56B розроблений для охолодження процесорів Pentium та Pentium-MMX фірм Intel, Cyrix та AMD, що працюють на частотах до 200 МГц. Термоелектричний модуль розміром 30×30 мм дозволяє холодильнику підтримувати температуру процесора нижче 63 °C при розсіюваній ним потужності 25 Вт і зовнішній температурі, що дорівнює 25 °C. У зв'язку з тим, що більшість процесорів розсіюють меншу потужність, цей холодильник дозволяє підтримувати температуру процесора набагато нижче, ніж багато альтернативних кулеров на основі радіаторів та вентиляторів. Живлення модуля Пельтьє, що входить до складу холодильника PAX56B, здійснюється від джерела 5, здатного забезпечити струм 1,5 А (максимум). Вентилятор даного холодильника вимагає напруга 12 В та струм 0,1 А (максимум). Параметри вентилятора холодильника PAX56B: ball-bearing, 47,5 мм, 65000 годин, 26 дБ. Загальний розмір даного холодильника становить 25х25х28,7 мм. Орієнтовна ціна холодильника PAX56B дорівнює $35. Вказана ціна наведена відповідно до прайс-листу фірми на середину 2000 року.

Холодильник PA6EXB розроблений для охолодження потужніших процесорів Pentium-MMX, що розсіюють потужність до 40 Вт. Цей холодильник підходить для всіх процесорів фірм Intel, Cyrix і AMD, що підключаються через Socket 5 або Socket 7. Термоелектричний модуль Пельтьє, що входить до складу холодильника PA6EXB має розмір 40×40 мм і споживає максимум струму 8 А (зазвичай 3 А) при напрузі 5 З підключенням через стандартний роз'єм живлення комп'ютера. Загальний розмір холодильника PA6EXB становить 60х60х52,5 мм. При установці даного холодильника для хорошого теплообміну радіатора з навколишнім середовищем необхідно забезпечити відкритий простір навколо холодильника щонайменше 10 мм зверху та 2,5 мм з боків. Холодильник PA6EXB забезпечує температуру процесора 62,7 °C при розсіюваній ним потужності 40 Вт і зовнішній температурі 45 °C. Враховуючи принцип роботи термоелектричного модуля, що входить до складу даного холодильника, щоб уникнути конденсації вологи та короткого замикання необхідно уникати використання програм, які переводять процесор у режим сну на тривалий час. Орієнтовна вартість такого холодильника становить $65. Вказана ціна наведена відповідно до прайс-листу фірми на середину 2000 року.

Холодильник DT-P54A (також відомий під назвою PA5B фірми Computernerd) розроблений для процесорів Pentium. Однак деякі фірми, що пропонують ці холодильники на ринку, рекомендують його і користувачам Cyrix/IBM 6x86 та AMD K6. Радіатор, що входить до складу холодильника, досить малий. Його розміри 29х29 мм. У холодильник вбудований термодатчик, який за потреби сповістить про перегрівання. Він також контролює елемент Пельтьє. У комплект входить зовнішній контрольний пристрій. Воно виконує функції контролю за напругою і роботою елемента Пельтьє, роботою вентилятора, а також температурою процесора. Пристрій видасть сигнал тривоги, якщо елемент Пельтьє або вентилятор вийшли з ладу, якщо вентилятор обертається зі швидкістю меншою, ніж на 70% від необхідного значення (4500 RPM) або температура процесора піднялася вище 145°F (63°C). Якщо температура процесора піднялася вище 100°F (38°C), то елемент Пельтьє автоматично вмикається, інакше він перебуває у режимі вимкнення. Остання функція усуває проблеми, пов'язані з конденсацією вологи. На жаль, сам елемент приклеєний до радіатора настільки сильно, що його неможливо відокремити, не зруйнувавши його конструкцію. Це позбавляє можливості встановити його на інший, потужніший радіатор. Що стосується вентилятора, то його конструкція характеризується високим рівнем надійності і має високі параметри: напруга живлення - 12 В, швидкість обертання - 4500 RPM, швидкість подачі повітря - 6.0 CFM, споживана потужність - 1 Вт, шумові характеристики - 30 дБ. Цей холодильник досить продуктивний та корисний при розгоні. Проте в деяких випадках розгону процесора слід скористатися великим радіатором і хорошим кулером. Ціна цього холодильника становить від $39 до $49. Вказана ціна наведена відповідно до прайс-листу кількох фірм на середину 2000 року.

Холодильник AC-P2 розроблено для процесорів типу Pentium II. У комплект входить 60 мм кулер, радіатор та елемент Пельтьє розміром 40 мм. Погано підходить до процесорів Pentium II 400 МГц і вище, тому що практично не охолоджуються чіпи пам'яті SRAM. Орієнтовна ціна на середину 2000 року – $59.

Холодильник PAP2X3B (мал. 8) аналогічний до AOC AC-P2. До нього додано два 60 мм кулери. Проблеми з охолодженням пам'яті SRAM залишилися невирішеними. Варто зазначити, що холодильник не рекомендується використовувати разом з охолодними програмами, такими як, наприклад, CpuIdle, а також під операційними системами Windows NT або Linux, оскільки можлива конденсація вологи на процесорі. Орієнтовна ціна на середину 2000 року – $79.

Рис. 8. Зовнішній вигляд холодильника PAP2X3B

Холодильник STEP-UP-53X2 оснащений двома вентиляторами, що прокачують велику кількість повітря через радіатор. Орієнтовна ціна на середину 2000 року – $79 (Pentium II), $69 (Celeron).

Холодильники серії Bcool від Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) розроблені для процесорів Pentium II і Celeron і мають схожі характеристики, таблицю.

Холодильники серії BCool

Item	PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier	PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier	PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier
Рекомендовані процесори	Pentium II і Celeron
Кількість вентиляторів	3
Тип центрального вентилятора	Ball-Bearing, тахометр (12 В, 120 мА)
Розмір центрального вентилятора	60x60x10 мм
Тип зовнішнього вентилятора	Ball-Bearing	Ball-Bearing, тахометр	Ball-Bearing, термістр
Розмір зовнішнього вентилятора	60x60x10 мм	60x60x25 мм
Напруга, струм	12, 90 мА	12 В, 130 мА	12, 80-225 мА
Загальна площа охоплення вентиляторами	84.9 см 2
Загальний струм для вентиляторів (потужність)	300 мА (3.6 Вт)	380 мА (4.56 Вт)	280-570 мА (3.36-6.84 Вт)
Кількість штирків на радіаторі (центр)	63 довгих та 72 коротких
Кількість штирків на радіаторі (з кожного краю)	45 довгих та 18 коротких
Загальна кількість штирків на радіаторі	153 довгих та 108 коротких
Розміри радіатора (центр)	57x59x27 мм (включаючи термоелектричний модуль)
Розміри радіатора (з кожного краю)	41x59x32 мм
Загальні розміри радіатора	145x59x38 мм (включаючи термоелектричний модуль)
Загальні розміри холодильника	145x60x50 мм	145x60x65 мм
Вага холодильника	357 грам	416 грам	422 грам
Гарантія	5 років
Орієнтовна ціна (2000 р.)	$74.95	$79.95	$84.95

Слід зазначити, що група холодильників BCool включає також пристрої, які мають схожі характеристики, але в яких відсутні елементи Пельтьє. Такі холодильники, природно, дешевші, але й менш ефективні як засоби охолодження комп'ютерних комплектуючих.

Під час підготовки статті були використані матеріали книги "PC: налаштування, оптимізація та розгін". 2-ге вид., перероб. і доп., - СПб.: BHV - Петербург. 2000. - 336 с.

Початок 19 сторіччя. Золотий вік фізики та електротехніки. У 1834 році французький годинникар і дослідник природи Жан-Шарль Пельтьє помістив краплю води між електродами з вісмуту і сурми, а потім пропустив по ланцюгу електричний струм. На свій подив, він побачив, що крапля зненацька замерзла.

Про теплову дію електричного струму на провідники було відомо, а ось зворотний ефект був схожий на магію. Можна зрозуміти почуття Пельтьє: це явище на стику двох різних областей фізики – термодинаміки та електрики спричиняє відчуття дива і сьогодні.

Проблема охолодження тоді не була такою гострою, як сьогодні. Тому до ефекту Пельтьє звернулися лише майже через два століття, коли з'явилися електронні пристрої, для роботи яких знадобилися мініатюрні системи охолодження. Перевагою охолодних елементів Пельтьємалі габарити, відсутність рухомих деталей, можливість каскадного з'єднання для отримання великих перепадів температур.

Крім цього, ефект Пельтьє звернемо: при зміні полярності струму через модуль охолодження змінюється нагріванням, тому на ньому легко реалізуються системи точної підтримки температури - термостати. Недоліком елементів (модулів) Пельтьє є низький ККД, що вимагає підведення великих значень струму для отримання помітного перепаду температур. Складність представляє і відведення тепла від пластини, протилежної площині, що охолоджується.

Але про все гаразд. Для початку спробуємо розглянути фізичні процеси, відповідальні за явище, що спостерігається. Не занурюючись у вир математичних викладок, постараємося просто на «пальцях» зрозуміти природу цього цікавого фізичного явища.

Оскільки йдеться про температурні явища, фізики, для зручності математичного опису, замінюють коливання атомних ґрат матеріалу певним газом, що складається з частинок - фононів.

Температура фононного газу залежить від температури навколишнього середовища та властивостей металу. Тоді будь-який метал - це суміш електронного та фононного газів, що знаходяться в термодинамічній рівновазі. При контакті двох різних металів без зовнішнього поля більш "гарячий" електронний газ проникає в зону більш "холодного", створюючи відому всім контактну різницю потенціалів.

При прикладанні різниці потенціалів переходу, тобто. протіканні струму через межу двох металів, електрони забирають енергію у фононів одного металу та передають її фононному газу іншого. При зміні полярності передача енергії, отже, нагрівання та охолодження змінюють знак.

У напівпровідниках за перенесення енергії відповідають електрони та “дірки”, але механізм перенесення тепла та появи різниці температур зберігається. Різниця температур збільшується до тих пір, поки не вичерпаються високоенергетичні електрони. Настає температурна рівновага. Такою є сучасна картина опису ефекту Пельтьє.

З неї зрозуміло, що ефективність роботи елемента Пельтьєзалежить від підбору пари матеріалів, сили струму та швидкості відведення тепла від гарячої зони. Для сучасних матеріалів (зазвичай, це напівпровідники) ККД становить 5-8%.

А тепер про практичне застосування ефекту Пельтьє.Для його збільшення окремі термопари (спаї двох різних матеріалів) збираються до груп, що складаються з десятків і сотень елементів. Основне призначення таких модулів – це охолодження невеликих об'єктів або мікросхем.

Термоелектричний охолодний модуль

Широке застосування модулі на ефект Пельтьє знайшли в приладах нічного бачення з матрицею інфрачервоних приймачів. Мікросхеми із зарядовим зв'язком (ПЗЗ), які сьогодні застосовують і в цифрових фотоапаратах, потребують глибокого охолодження для реєстрації зображення в інфрачервоній області. Модулі Пельтьє охолоджують інфрачервоні датчики в телескопах, активні елементи лазерів для стабілізації частоти випромінювання, в системах точного часу. Але це все застосування військового та спеціального призначення.

З недавніх пір модулі Пельтьє знайшли застосування у побутових виробах. Переважно в автомобільній техніці: кондиціонери, переносні холодильники, охолоджувачі води.

Приклад практичного використання ефекту Пельтьє

Найбільш цікавим та перспективним застосуванням модулів є комп'ютерна техніка. Високопродуктивні мікропроцесори і чіпи відеокарт виділяють велику кількість тепла. Для їхнього охолодження застосовують високошвидкісні вентилятори, які створюють значні акустичні шуми. Застосування модулів Пельтьє у складі комбінованих систем охолодження усуває шум при значному відборі тепла.

Компактний USB -холодильник з використанням модулів Пельтьє

І, нарешті, закономірне питання: чи замінять модулі Пельтьє звичні системи охолодження у компресійних побутових холодильниках? На сьогоднішній день це невигідно з точки зору ефективності (малий ККД) та ціни. Вартість потужних модулів ще досить висока.

Але техніка та матеріалознавство не стоять на місці. Виключити можливість появи нових, більш дешевих матеріалів із великим ККД та високим значенням коефіцієнтом Пельтьє не можна. Вже сьогодні з'являються повідомлення з дослідницьких лабораторій про дивовижні властивості навуглецевих матеріалів, які зможуть радикально змінити ситуацію з ефективними системами охолодження.

З'явилися повідомлення про високу термоелектричну ефективність кластратів - твердотільних розчинів, схожих за будовою на гідрати. Коли ці матеріали вийдуть із дослідницьких лабораторій, то безшумні холодильники з необмеженим терміном служби замінять наші звичні домашні моделі.

P.S.Однією з найцікавіших особливостей термоелектричної технологіїє те, що вона може не тільки використовувати електричну енергіюдля отримання тепла і холоду, але також завдяки їй можна але запустити зворотний процес, і, наприклад, з тепла отримати електричну енергію.

Приклад того, як можнаотримати електроенергію з тепла з використанням термоелектричного модуля () дивіться на цьомувідео:

А що Ви думаєте з цього приводу? Чекаю на ваші коментарі!

Андрій Повний

Міністерство освіти і науки Російської Федерації

ФЕДЕРАЛЬНА ДЕРЖАВНА БЮДЖЕТНА ОСВІТАЛЬНА УСТАНОВА

ВИЩОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ

Курський Державний Університет

Фізико-математичний факультет

Кафедра нанотехнології

Курсова робота

На тему: «Ефект Пельтьє»

Виконала: студентка 3 курсу 36 групи Какуріна О.О.

Перевірив: доцент Челишев С.Ю.

Введение……………………………………………………………..3

1. Історія відкриття ефекту……..………………………………………4

2. Теоретичне обгрунтування.……………………………………………6

3. Технічні реалізації эффекта……………………………...............12

4. Області застосування…………………………………………………….19

Висновки……………………………………………………………....21

Список використаної літератури……………………………..…..23

Вступ

Дана робота присвячена вивченню комп'ютеромелектричного явища, при якому відбувається виділення або поглинання тепла при проходженні електричного струму в місці контакту (спаючи) двох різнорідних провідників - ефекту Пельтьє. У ній представлена історія відкриття цього явища, описується його теоретичне обґрунтування, розглядаються технічні реалізації ефекту, наводяться переваги та недоліки елементів Пельтьє.

Відкриття термоелектричних явищ, зокрема і ефекту Пельтьє, поклали основу розвитку самостійної галузі техніки – термоенергетики, яка займається як питаннями прямого перетворення теплової енергії на електричну, так і питаннями термоелектричного охолодження та нагрівання. Історія відкриття термоелектричних явищ налічує вже понад 180 років. Практичне використання вони отримали лише у середині ХХ століття, тобто через 130 років після відкриття. Нині явище Пельтьє має широке практичне застосування. Наприклад, воно використовується для охолодження та термостатування діодних лазерів, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання; у термостатах; в оптичній апаратурі; для керування процесом кристалізації; як підігрів з метою опалення. Широко поширене у комп'ютерній техніці; у радіоелектричних пристроях; у медичному та фармацевтичному устаткуванні; у побутовій техніці; у кліматичному устаткуванні; для охолодження напоїв; у лабораторних та наукових приладах; у льодогенераторах; у кондиціонерах; для отримання електроенергії; у електронних лічильниках витрати води.

Мета даної роботи полягає в ознайомленні з історією відкриття ефекту Пельтьє, у дослідженні його фізичних основ, у вивченні елементів, заснованих на цьому явищі, у розробці технічних реалізацій ефекту та у систематизації набутих знань.

1. Історія відкриття.

Низка наукових відкриттів у «велике десятиліття» початку дев'ятнадцятого століття заклала передумови для оволодіння термоелектрикою, безумовно, найперспективнішим напрямом енергетики майбутнього. Наукові напрями у цій галузі постійно розвиваються, і російські вчені перебувають у центрі цих досліджень.

Історія відкриття термоелектричних явищ налічує вже понад 180 років. Практичне використання вони отримали лише в середині XX століття, тобто через 130 років після відкриття та насамперед завдяки роботам радянського академіка А.Ф. Іоффе. Початок поклав німецький вчений Зеєбек Томас Йоганн (1770 - 1831). У 1822 році він опублікував результати своїх дослідів у статті

Через 12 років (1834 р.) після відкриття Зеєбека було відкрито "ефект Пельтьє". Цей ефект є зворотним "ефект Зеєбека". Відкрив це явище французький фізик, метеоролог Пельтьє Жан Шарль Атаназ (Мал.1). Захоплення фізикою було його хобі. Раніше він працював годинникарем фірми А.Л. Бреге, але завдяки отриманому в 1815 спадщині, Пельтьє зміг присвятити себе експериментам у галузі фізики та спостереженню за метеорологічними явищами. Як і Зеєбек, Пельтьє не зміг правильно інтерпретувати результати свого дослідження. На його переконання, отримані результати служили ілюстрацією того, що при пропусканні через ланцюг слабких струмів універсальний закон Джоуля – Ленца про виділення тепла струмом, що протікає, не працює. Тільки в 1838 петербурзький академік Ленц Емілій Християнович (1804-1865) довів, що "ефект Пельтьє" є самостійним фізичним явищем, що полягає у виділенні та поглинанні на спаях ланцюга додаткового тепла при проходженні постійного струму. У цьому характер процесу (поглинання чи виділення) залежить від напрями струму. У своєму досвіді Ленц експериментував із краплею води, поміщеною на стику двох провідників (вісмуту та сурми). При пропущенні струму одному напрямку крапля води замерзала, а зміні напрями струму – танула. Тим самим було встановлено, що при проходженні струму через контакт двох провідників в одному напрямку тепло виділяється, в іншому – поглинається. Через двадцять років Вільям Томсон (згодом – лорд Кельвін) дав вичерпне пояснення ефектам Зеєбека та Пельтьє та взаємозв'язку між ними. Отримані Томсон термодинамічні співвідношення дозволили йому передбачити третій термоелектричний ефект, названий згодом його ім'ям.

Рис. 1. Пельтьє Жан Шарль Атаназ (1785 – 1845)

Дані відкриття поклали основу розвитку самостійної галузі техніки – термоенергетики, яка займається як питаннями прямого перетворення теплової енергії на електричну (ефект Зеєбека), так і питаннями термоелектричного охолодження та нагріву (ефект Пельтьє). На початку 19 століття німецький інженер Альтенкірх розвинув цю теорію і ввів поняття холодильного коефіцієнта та Z-ефективності, показавши, що ефект Пельтьє на металевих спаях, зважаючи на досяжну різницю температур всього в кілька градусів, не придатний для практичного застосування. І лише через кілька десятків років, насамперед зусиллями академіка А. Іоффе та розробленої ним теорії твердих розчинів, були теоретично та практично отримані результати, що дали імпульс широкому практичному застосуванню ефекту Пельтьє.

2. Теоретичне обґрунтування.

Ефектом Пельтьє називається термоелектричне явище, у якому відбувається виділення чи поглинання тепла під час проходження електричного струму у місці контакту (спаючи) двох різнорідних провідників. Величина тепла, що виділяється, і його знак залежать від виду контактуючих речовин, напрямки сили протікаючого електричного струму.

На відміну від тепла Джоуля – Ленца, яке пропорційне квадрату сили струму (Q = R·I2·t), тепло Пельтьє пропорційне першому ступені сили струму і змінює знак при зміні напрямку останнього. Тепло Пельтьє, як показали експериментальні дослідження, можна висловити за формулою:

Qп = П · q (1)

де q – заряд, що пройшов через контакт (q = I · t), П – так званий коефіцієнт Пельтьє, величина якого залежить від природи контактуючих матеріалів та від їхньої температури.

Величина тепла Qп, що виділяється, і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу його проходження:

dQп = П12 · I · dt (2)

Тут П12 = П1 – П2 – коефіцієнт Пельтьє для даного контакту, пов'язаний з абсолютними коефіцієнтами Пельтьє П1 та П2 контактуючих матеріалів. При цьому вважається, що струм йде від першого зразка до другого. При виділенні тепла Пельтьє маємо: QП>0, П12>0, П1>П2. При поглинанні тепла Пельтьє воно вважається негативним і відповідно: QП< 0, П12 < 0, П1 < П2. Очевидно, что П12 = – П21.

Розмірність коефіцієнта Пельтьє:

[П] СІ = Дж/Кл = В.

Замість тепла Пельтьє часто використовують фізичну величину, що визначається як теплова енергія, яка щомиті виділяється на контакті одиничної площі. Ця величина, що отримала назву - потужність тепловиділення визначається формулою:

q · P = П12 · j , (3)

де j = I/S – щільність струму; S – площа контакту.

Розмірність цієї величини:

СІ = Вт/м2.

Рис. 2. Схема досвіду для вимірювання тепла Пельтьє

(Cu – мідь, Bi – вісмут).

У представленій схемі досвіду (Рис. 2) вимірювання тепла Пельтьє при однаковому опорі проводів R (Cu+Bi), опущених у калориметри, виділиться те саме джоулеве тепло в кожному калориметрі, а саме по Q = R·I2·t. Тепло Пельтьє, навпаки, у одному калориметрі буде позитивно, а іншому негативно. Відповідно до даної схеми можна виміряти тепло Пельтьє та обчислити значення коефіцієнтів Пельтьє для різних пар провідників. Коефіцієнт Пельтьє залежить від температури. Деякі значення коефіцієнта Пельтьє для пар металів представлені в таблиці 1.

Таблиця 1.

Значення коефіцієнта Пельтьє для пар металів

П = a · T , (4)

де П – коефіцієнт Пельтьє, a – коефіцієнт Томсона, T – абсолютна температура.

Відкриття ефекту Пельтьє дуже вплинув на подальший розвиток фізики, а надалі і різних областей техніки.

Отже, суть відкритого ефекту полягає в наступному: при проходженні електричного струму через контакт двох провідників, зроблених з різних матеріалів, залежно від його напрямку, крім джоулева тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтьє. Ступінь прояву даного ефекту значною мірою залежить від матеріалів обраних провідників та використовуваних електричних режимів.

Рис. 3 та Мал. 4 зображено замкнутий ланцюг, складений з двох різних напівпровідників ПП1 і ПП2 з контактами А та В.

Рис. 3. Виділення тепла Пельтьє (контакт А)

Рис. 4. Поглинання тепла Пельтьє (контакт А)

Такий ланцюг прийнято називати термоелементом, а його гілки – термоелектродами. Через ланцюг тече струм I, створений зовнішнім джерелом Е. Рис. 3 ілюструє ситуацію, коли на контакті А (струм тече від ПП1 до ПП2) відбувається виділення тепла Пельтьє Qп (А) > 0, а на контакті В (струм спрямований від ПП2 до ПП1) його поглинання – Qп (В)< 0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА >ТБ. Рис. 4 зміна знака джерела змінює напрямок струму на протилежне: від ПП2 до ПП1 на контакті А та від ПП1 до ПП2 на контакті В. Відповідно змінюється знак тепла Пельтьє та співвідношення між температурами контактів: Qп (А)< 0, ТА < ТВ .

Ефект Пельтьє, як і багато термоелектричних явищ, виражений особливо сильно в ланцюгах, складених з напівпровідників з електронною (n-тип) і дірковою (р-тип) провідністю. Такі напівпровідники називаються, відповідно, напівпровідниками з n- та р-типом провідності або просто напівпровідниками n- та р-типу. Розглянемо ситуацію, коли струм у контакті йде від діркового напівпровідника до електронного. При цьому електрони та дірки рухаються назустріч один одному і, зустрівшись, рекомбінують. Внаслідок рекомбінації звільняється енергія, що виділяється у вигляді тепла. Цю ситуацію розглянуто на рис. 5, де зображені енергетичні зони (Еc – зона провідності, Еv – валентна зона) для домішкових напівпровідників з дірковою та електронною провідністю.

Рис. 5. Виділення тепла Пельтьє на контакті напівпровідників р- та n - типу

На рис. 6 (Еc – зона провідності, Еv – валентна зона) ілюструється поглинання тепла Пельтьє на випадок, коли струм йде від n- до р - напівпровіднику.

Рис. 6. Поглинання тепла Пельтьє на контакті напівпровідників р- та n-типу

Тут електрони в електронному та дірки у дірочному напівпровідниках рухаються у протилежні сторони, йдучи від межі розділу. Зменшення носіїв струму в прикордонній області заповнюється за рахунок народження електронів і дірок. На утворення таких пар потрібна енергія, що поставляється тепловими коливаннями атомів ґрат. Електрони, що утворюються, і дірки захоплюються в протилежні сторони електричним полем. Тому поки що через контакт йде струм, безперервно відбувається народження нових пар. В результаті в контакті тепло поглинатиметься. Напівпровідники p- та n-типу провідності використовуються у термоелектричних холодильниках (Мал. 7).

Рис. 7. Використання напівпровідників p- та n-типу в термоелектричних холодильниках.

3. Технічні реалізації ефекту.

Об'єднання великої кількості пар напівпровідників p- та n-типу дозволяє створювати охолодні елементи – модулі Пельтьє порівняно великої потужності.

Модуль Пельтьє – це термоелектричний перетворювач, принцип дії якого базується на ефекті Пельтьє.

Структура напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтьє представлена на рис. 8.

Рис. 8. Структура модуля Пельтьє.

Модуль Пельтьє, є термоелектричний холодильник, що складається з послідовно з'єднаних напівпровідників р- і п-типу, що утворюють р-n- і n-p-переходи. Кожен із таких переходів має тепловий контакт із одним із двох радіаторів. Внаслідок проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтьє: один радіатор працює як холодильник, інший радіатор нагрівається та служить для відведення тепла. На рис. 9 представлений зовнішній вигляд типового модуля Пельтьє.

Рис. 9. Зовнішній вигляд модуля Пельтьє.

Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад, що становить кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні радіатора, що нагрівається, другий радіатор – холодильник, дозволяє досягти негативних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтьє за умови забезпечення адекватного їх охолодження. Це дозволяє порівняно простими засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються. На рис. 10 наведено приклад каскадного включення типових модулів Пельтьє.

Рис. 10. Приклад каскадного увімкнення модулів Пельтьє

Пристрої охолодження на основі модулів Пельтьє часто називають активними холодильниками Пельтьє або кулерами Пельтьє (Мал. 11). Використання модулів Пельтьє в активних кулерах робить їх значно ефективнішими порівняно зі стандартними типами кулерів на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Однак у процесі конструювання та використання кулерів з модулями Пельтьє необхідно враховувати низку специфічних особливостей, що випливають із конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури сучасних апаратних засобів комп'ютерів та функціональних можливостей системного та прикладного програмного забезпечення.

Рис. 11. Зовнішній вигляд кулера з модулем Пельтьє

Головна характеристика термоелектричного охолоджуючого пристрою – це ефективність охолодження:

Z = a2 / (r · l), (5)

де a – коефіцієнт термоедс; r – питомий опір; l – питома теплопровідність напівпровідника.

Параметр Z – функція температури та концентрації носіїв заряду, причому для кожної заданої температури існує оптимальне значення концентрації, за якої величина Z максимальна. Введення у напівпровідник тих чи інших домішок – основний доступний засіб змінювати його показники (a, r, l) у бажану сторону. Сучасні термоелектричні пристрої, що охолоджують, забезпечують зниження температури від +20оС до 200оС; їх холодопродуктивність, як правило, не більше 100 Вт.

Модулі Пельтьє, що виділяють у процесі своєї роботи велику кількість тепла, вимагають наявності у складі кулера відповідних радіаторів та вентиляторів, здатних ефективно відводити надлишкове тепло від модулів, що охолоджують. Термоелектричні модулі відрізняються відносно низьким коефіцієнтом корисної дії (ККД) і, виконуючи функції теплового насоса, вони є потужними джерелами тепла. Використання даних модулів у складі засобів охолодження електронних комплектуючих комп'ютера викликає значне зростання температури всередині системного блоку, що нерідко потребує додаткових заходів та засобів для зниження температури всередині корпусу комп'ютера. В іншому випадку підвищена температура всередині корпусу створює труднощі для роботи не тільки для елементів і їх систем охолодження, що захищаються, але і іншим компонентам комп'ютера. Також модулі Пельтьє є порівняно потужним додатковим навантаженням для блоку живлення. З урахуванням значення струму споживання модулів Пельтьє величина потужності блока живлення комп'ютера повинна бути не менше ніж 250 Вт. Все це призводить до доцільності вибору материнських плат та корпусів конструктиву ATX із блоками живлення достатньої потужності. Використання цього конструктиву полегшує для комплектуючих комп'ютера організацію оптимальних теплового та електричного режимів.

Модуль Пельтьє, у разі виходу з ладу, ізолює охолоджуваний елемент від радіатора кулера. Це призводить до дуже швидкого порушення теплового режиму елемента, що захищається, і швидкого виходу його з ладу від наступного перегріву.

Низькі температури, що виникають у процесі роботи холодильників Пельтьє надмірної потужності, сприяють конденсації вологи з повітря. Це становить небезпеку для електронних компонентів, оскільки конденсат може спричинити короткі замикання між елементами. Для унеможливлення цієї небезпеки доцільно використовувати холодильники Пельтьє оптимальної потужності. Виникне конденсація чи ні, залежить від кількох параметрів. Найважливішими є: температура навколишнього середовища (в даному випадку температура повітря всередині корпусу), температура об'єкта, що охолоджується, і вологість повітря. Чим тепліше повітря всередині корпусу і чим більша вологість, тим швидше відбудеться конденсація вологи і наступний вихід з ладу електронних елементів комп'ютера.

Архітектура сучасних процесорів (Мал. 12) та деякі системні програми передбачають зміну енергоспоживання залежно від завантаження процесорів. Це дозволяє оптимізувати їхнє енергоспоживання. У звичайних умовах оптимізація роботи процесора та його енергоспоживання благотворно позначається як на тепловому режимі самого процесора, так і на загальному тепловому балансі. Проте слід зазначити, що режими з періодичною зміною енергоспоживання можуть погано поєднуватися із засобами охолодження процесорів, які використовують модулі Пельтьє. Це пов'язано з тим, що холодильники Пельтьє, як правило, розраховані на безперервну роботу.

Рис. 12. Процесор із модулем Пельтьє

4. Області застосування.

Основні напрямки практичного використання ефекту Пельтьє в напівпровідниках: отримання холоду для створення термоелектричних охолоджуючих пристроїв, підігрів для опалення, термостатування, управління процесом кристалізації в умовах постійної температури. Термоелектричні модулі (ТЕМ) застосовуються у пристроях охолодження радіоелектронних компонентів та різних пристроях термостатування через легкість прецизійного електронного регулювання температури як для нагрівання, так і для охолодження.

Максимальна холодопродуктивність ТЕМ виходить за певного значення струму, який при заданому значенні напруги живлення показується як Imax. Нестаціонарний режим живлення імпульсами струму, що у кілька разів перевищують Imax, на деякий час дозволить отримати холодопродуктивність, що набагато перевищує паспортну. Це пояснюється тим, що сам ефект Пельтьє безінерційний, на відміну від поширення теплоти джоуля та явища теплопровідності, і протягом кількох секунд цим можна скористатися. Втім, нестаціонарні режими широкого застосування не набули.

Зважаючи на оборотність термоелектричних ефектів, ТЕМ може використовуватися і як термоелектричні генератори (ТЕГ). Вдалині від зручностей цивілізації це може бути одне з небагатьох доступних джерел електричної енергії, наприклад, для заряджання акумуляторів або прямого живлення радіоелектронної апаратури або інших пристроїв. Досить широко використовуються пристрої, в яких різниця температур створюється між зовнішньою металевою оболонкою, що нагрівається відкритим вогнем (багаттям), і внутрішньою оболонкою, що охолоджується водою. «Холодна» сторона буде обмежена температурою кипіння води, тому такий ТЕМ має бути розрахований на робочу температуру 500 – 600°К. Слід мати на увазі, що тепловий баланс для ТЕГ якісно відрізняється від ТЕМ на основі ефекту Пельтьє, і цей ефект (разом із теплотою Джоуля) робить всього кілька відсотків у загальний внесок, що вимагає зовсім інших акцентів при конструюванні ТЕГ. ТЕГ широко застосовуються в космічній техніці, де температура гарячої сторони підтримується радіоізотопним джерелом. Кардіостимулятори, що вживляються в тіло людини, також забезпечені ТЕГ з радіоізотопним джерелом для створення різниці температур.

Також елементи Пельтьє часто застосовуються для охолодження та термостатування діодних лазерів з тим, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання. У приладах, при низькій потужності охолодження, елементи Пельтьє часто використовуються як другий або третій ступінь охолодження. Це дозволяє досягти температур на 30 - 40 К нижче, ніж за допомогою звичайних компресійних охолоджувачів.

Висновок

Ефект Пельтьє був відкритий французом Жаном-Шарлем Пельтьє у 1834 році. Під час проведення одного з експериментів він пропускав електричний струм через смужку вісмуту, із підключеними до неї мідними провідниками. У ході експерименту виявив, що одна сполука вісмут-мідь нагрівається, інша – остигає. Сам Пельтьє не розумів повною мірою сутність відкритого їм явища. Справжній сенс явища пізніше був пояснений в 1838 Ленцем. У своєму досвіді Ленц експериментував із краплею води, поміщеною на стику двох провідників (вісмуту та сурми). При пропущенні струму одному напрямку крапля води замерзала, а зміні напрями струму – танула. Тим самим було встановлено, що при проходженні струму через контакт двох провідників в одному напрямку тепло виділяється, в іншому – поглинається. Це явище було названо ефектом Пельтьє.

Ефект Пельтьє - це термоелектричне явище, при якому відбувається виділення або поглинання тепла при проходженні електричного струму в місці контакту (спаючи) двох різнорідних провідників. Величина тепла, що виділяється, і його знак залежать від виду контактуючих речовин, напрямки сили протікаючого електричного струму.

Класична теорія пояснює явище Пельтьє тим, що з переносі електронів струмом з одного металу до іншого, вони прискорюються чи уповільнюються внутрішньої контактної різницею потенціалів між металами. У разі прискорення кінетична енергія електронів збільшується, потім виділяється у вигляді тепла. У протилежному випадку кінетична енергія зменшується, і енергія поповнюється рахунок енергії теплових коливань атомів другого провідника, в такий спосіб, він починає охолоджуватися. При повному розгляді враховується зміна як потенційної, а й повної енергії.

На основі ефекту Пельтьє створено модулі (елементи) Пельтьє. Вони складаються з однієї або більше пар невеликих напівпровідникових паралелепіпедів, які попарно з'єднані за допомогою металевих перемичок. Металеві перемички одночасно служать термічними контактами та ізольовані непровідною плівкою або керамічною пластинкою. Пара паралелепіпедів з'єднуються таким чином, що утворюється послідовне з'єднання багатьох пар напівпровідників з різним типом провідності, так щоб угорі були одні послідовності з'єднань (n-> p), а знизу протилежні (p-> n). Електричний струм протікає послідовно через усі паралелепіпеди. Залежно від напрямку струму верхні контакти охолоджуються, а нижні нагріваються або навпаки. Таким чином, електричний струм переносить тепло з одного боку елемента Пельтьє на протилежний і створює різницю температур.

Багатоступінчасті елементи Пельтьє застосовують для охолодження приймачів випромінювання в інфрачервоних сенсорах. В даний час проводяться експерименти з вбудовування мініатюрних модулів Пельтьє безпосередньо до мікросхем процесорів для охолодження їх найбільш критичних структур. Таке рішення сприяє кращому охолодженню за рахунок зниження теплового опору і дозволяє значно підвищити робочу частоту і продуктивність процесорів. Таким чином, відкриття ефекту Пельтьє вплинув на подальший розвиток фізики, а в подальшому і різних областей техніки.

Список використаної літератури

1. Фізична енциклопедія. - М.: Велика Російська енциклопедія, 1998. - Т.5. - С. 98 - 99, 125.

2. Ландау Л.Д., Ліфшиц Є.М. Теоретична фізика: Навч. посіб.: Для вузів. У 10. т. Т. VIII. Електродинаміка суцільних середовищ. – 4-те вид., стереот.–М.: Фізматліт, 2003. – 656 з.

3. Маріпов А. Фізичні засади електроніки. - Б.: Поліграфбумресурси, 2010. - 252 с.

4. Сівухін С.Д. Загальний курс фізики - М.: Наука, 1977. - Т.3. Електрика. - С. 490 - 494.

5. Стільбанс Л.С. Фізика напівпровідників. - М.: Рад. радіо, 1967. - С.75 - 83, 292 - 311.

6. Наркевич, І. І. Фізика для ВТНЗ / І. І. Наркевич, Е. І. Волмянський, С. І. Лобко. - Мінськ: Нове знання, 2004. - 680 с.

7.Іоффе. А. Ф. Напівпровідникові термоелементи-М.; Л.: Вид-во АН СРСР, 1960. - С.188

Відкритий 1834 р. Ж. Пельтьє, який виявив, що з проходженні струму через спай двох різних провідників температура спаю змінюється. У 1838 р. е. х. Ленц показав, що з досить великий силі струму можна або заморозити, або довести до кипіння краплю води, нанесену спай, змінюючи напрям струму.

Сутність ефекту Пельтьє полягає в тому, що при проходженні електричного струму через контакт двох металів або напівпровідників в області їх контакту на додаток до звичайного тепла джоуля виділяється або поглинається додаткова кількість тепла, званого теплом Пельтьє Q п. На відміну від джоулева тепла, яке пропорційне квадрату сили струму, величина Q ппропорційна першому ступені струму.

Q п = П. I. t.

t- час проходження струму,

I- сила струму.

П- Коефіцієнт Пельтьє, коефіцієнт пропорційності, що залежить від природи матеріалів, що утворюють контакт. Теоретичні уявлення дозволяють висловити коефіцієнт Пельтьє через мікроскопічні характеристики електронів провідності.

Коефіцієнт Пельтьє П = Т D a, де Т- абсолютна температура, а Δ α - різницю термоелектричних коефіцієнтів провідників. Від напряму струму залежить, чи виділяється чи поглинається тепло Пельтьє.

Причина виникнення ефекту у тому, що у разі контакту металів чи напівпровідників на кордоні виникає внутрішня контактна різницю потенціалів. Це призводить до того, що потенційна енергія носіїв по обидва боки контакту стає різною, оскільки середня енергія носіїв струму залежить від їхнього енергетичного спектру, концентрації та механізмів їх розсіювання та різна у різних провідниках. Оскільки середня енергія електронів, що у переносі струму, у різних провідниках різниться, у процесі зіткнень з іонами грати носії віддають надлишок кінетичної енергії решітці, і тепло виділяється. Якщо при переході через контакт потенційна енергія носіїв зменшується, то збільшується їхня кінетична енергія та електрони, стикаючись з іонами ґрат, збільшують свою енергію до середнього значення, при цьому тепло Пельтьє поглинається. Таким чином, при переході електронів через контакт електрони або передають надмірну енергію атомам, або поповнюють її за їх рахунок.

При переході електронів з напівпровідника в метал енергія електронів провідності напівпровідника значно вище за рівень Фермі (див. Фермі енергія) металу, і електрони віддають свою надмірну енергію. Ефект Пельтьє особливо великий у напівпровідників, що використовується для створення охолодних та обігрівальних напівпровідникових приладів, у тому числі для створення мікрохолодильників у холодильних установках.

Що таке елемент пельтьє, його пристрій, принцип роботи та практичне застосування. Пельтьє ефект у напівпровідниках Ефект пельтьє холодильник

Напівпровідникові холодильники Пельтьє

Модулі Пельтьє

Особливості експлуатації

Приклади холодильників Пельтьє