Элемент Пельтье принцип работы, применение и как сделать холодильник своими руками

Элемент Пельтье эффекты, следствия и использование

Элемент Пельтье – это электрическое устройство, под действием электрического тока образующее на рабочих площадках разницу температур. Принцип действия обратный эффекту Зеебека. Примечательно, что выводы термопары принято называть спаем, как и реальный спай металлов в чувствительном месте датчика. Не стоит впадать в заблуждение, концы обычно подключены к измерительной схеме и не соприкасаются.

Эффекты термоэлектричества

21 июля 1820 года считается поворотной точкой развития истории: Эрстед решился опубликовать свои наблюдения о влиянии провода с током на ориентацию магнитной стрелки в пространстве. Дальнейшие открытия следуют чередой, нас интересует изобретение первого гальванометра. Изготовитель, Швейггер, назвал прибор мультипликатором за способность умножать результат действия на магнитную стрелку нескольких витков провода, несущего ток. Благодаря этому годом позже (1821) физик эстонского происхождения Зеебек открыл термоэлектричество. Общеизвестно, что случившееся помогло пятью годами позже Георгу Ому получить всемирно известный закон.

Литература говорит, что Зеебек в качестве детектора использовал соленоид с многочисленными витками проволоки и магнитную стрелку. История умалчивает, как к учёному попала спайка висмут-сурьма, но повествует, что учёный подключил тандем в качестве источника питания и видел колебания компаса постоянно, когда брал термопару в руки. Вероятно, оказался близок к открытию собственных сверхспособностей, но в результате к выводу, что виновато тепло рук. Больших результатов учёный добился, используя осветительную лампу в качестве источника тепла.

Зеебек неправильно истолковал результат опыта, назвав открытие магнитной поляризацией: смещение точки нагрева на другой конец изменяло направление отклонения стрелки. В результате выстроилась неправильная теория. Стали утверждать, что температурой возможно непосредственно получить магнитные свойства, а поле Земли обусловлено деятельностью вулканов. Георг Ом уже вскоре после описанного открытия применил термо-ЭДС для вывода известного закона, а в 1831 году подобный источник использовался в опытах по электролизу.

Величина термо-ЭДС невелика. Обычно десятки мВ. Если требуется найти конкретное значение, пользуются таблицами. Эталоном для температур диапазона климата Земли служит платина. Таблицы содержат значение термо-ЭДС для термопар из указанного металла и исследуемого: хромель, алюмель, меди, железо. Значения бывают положительными и отрицательными. К примеру, для сурьмы это +4,7 мВ, а для висмута – минус 6,5. Значения складываются и становится ясно, что при разнице температур на концах пары в 100 градусов образуется ЭДС в 12,2 мВ. Георг Ом подобные условия и пытался создать, погрузив первый конец в лёд, а второй – в кипящую воду.

Справочные таблицы иногда содержат множество значений. К примеру, для разных температур с шагом в 100 градусов. Тогда удаётся посчитать значения для каждой, но и с замещением нуля на любую из указанных температур. Берётся разность между большим и меньшим значением. У отдельных термопар при определённой температуре направление термо-ЭДС меняется на противоположное. К примеру, для меди и железа граничной точкой станет 540 градусов Цельсия.

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье называют зеркальным отражением термоэлектричества. В этом случае ток переносит тепло с первого конца термопары на второй. Причём с изменением направления и нагреваемая сторона обращается на противоположную. Эффект открыт в 1834 году, получив неправильное толкование. Лишь 4 года спустя «соотечественник» Ленц сумел заморозить и испарить каплю воды при помощи термопары. В каждом случае ток показывал собственное направление.

Эффект объясняется просто в современной физике. Допустим, имеется два разнородных полупроводника с одинаковым типом проводимости. Электроны в каждом обретают разное значение энергии, причём уровни в обоих случаях расположены близко. Теперь представим, что электрический ток начал переносить заряды из одной среды в другую. Что произойдёт? Электроны с повышенной энергией, оказавшись в среде пониженных уровней, отдадут лишнее количество кристаллической решётке, произведя нагрев. Напротив, если энергии недостаточно, она передастся от кристаллической решётки, что вызовет охлаждение спая.

Если тип проводимости полупроводников в термопаре неодинаков, эффект объясняется иначе. Электрон, попадая в p-материал занимает на энергетическом уровне место дырки (положительного носителя заряда). В результате теряет кинетическую энергию движения и разницу между нынешним и прошлым состоянием. Высвобожденное количество идёт на образование свободных носителей по обе стороны p-n-перехода. Остаток сообщается кристаллической решётке, от которой идёт нагрев. Если энергия в начальный момент меньше, начнётся охлаждения спая. Рекомбинирующие носители восполняются источником питания.

Количество теплоты, выделенное или поглощённое, пропорционально прошедшему через проводник заряду. Коэффициент в формуле линейной зависимости носит имя Пельтье. Аналогичная величина введена и для термоэлектричества, носит имя Зеебека. Из формулы следует, что количество выделившейся теплоты, в отличие от эффекта Джоуля-Ленца, пропорционально первой степени электрического тока (определяющего перенесённый заряд).

Эффект Томсона

На основании данных о коэффициентах Зеебека и Пельтье лорд Кельвин (Томсон) предсказал в 1856 году новый эффект: нагретый в центре проводник при пропускании электрического тока охлаждается с одной стороны и становится горячее с другой. Теоретические данные подтверждены опытным путём, открыв дорогу для создания климатической техники и прочего.

Идея лорда Томсона: если вдоль проводника присутствует градиент температуры (см. Электрическое поле), при протекании тока начнётся перенос тепла. Это устройство работает по принципу теплового насоса. Переносимая мощность пропорциональна градиенту: чем круче график изменения температуры по длине проводника, тем больший тепловой эффект проявляется.

Коэффициент пропорциональности в формуле носит имя Томсона и связан с коэффициентами термоэлектричества и Пельтье. Выше авторы привели объяснения согласно кинетической (микроскопической) теории, оперирующей уровнями энергетических состояний носителей заряда. Лорд Кельвин придерживался термодинамической (макроскопической) концепции, где во внимание принимаются глобальные потоки и силы. Это различие применимо ко множеству отраслей физики. К примеру, закон Ома для участка цепи возможно рассматривать как вариант термодинамического взгляда на вещи.

Читайте также:  Ауди 100 технические характеристики

Называют и общие черты. В термодинамической концепции массово применяются константы: речь о коэффициенте теплопроводности (закон Фурье) и изотермической проводимости (закон Ома).

Следствия

Ряд связанных с обсуждаемой темой полезных законов:

  1. В замкнутой цепи из однородного материала за счёт температуры электрический ток поддерживаться не может. Это утверждение носит имя немецкого физика Магнуса. Порой именуется законом однородной цепи.
  2. Закон промежуточных металлов гласит, что алгебраическая сумма термо-ЭДС замкнутого контура, состоящего из любого количества сегментов разнородных проводящих материалов равна нулю при условии, что температура участков одинаковая.

Использование термоэлектрических и электротермических эффектов

Долгое время прямой и обратный термоэлектрический эффект не находили применения, полезная величина оказывалась слишком мала. Постепенно физики создали сплавы свойства которых на два порядка перекрывают чистые металлы, использованные Пельтье и Ленцом. Теперь термоэлектричество находит применение. Вспомним термостат холодильника либо термоэлектрические холодильники без движущихся частей. Гораздо интереснее космическая отрасль, где явление применяется для охлаждения фоторезисторов: при понижении температуры лишь на 10 градусов чувствительность подобных датчиков вырастает на порядок.

Дополнительным плюсом описанных технических решений становятся компактность и малое потребление энергии: при весе 150 г установка охлаждает терморезистор на 50-60 градусов. В бытовой электронике эффектом Пельтье поддерживается нормальный режим процессоров в системном блоке персональных компьютеров. Да, стоит техническое решение недёшево, зато бесшумность гарантирована. К примеру, энтузиасты с 2010-х годов конструируют холодильники в домашних условиях. Высокого КПД не удаётся добиться из-за больших потерь через корпус. Но с появлением новых изолирующих строительных материалов положение дел улучшится.

Интересно, что при изменении направления электрического тока эффект начинает работать в противоположную сторону. Возможен нагрев. На базе описанных эффектов создают термостаты, отслеживающие температуру до тысячных долей градуса. Среди перспективных направлений отмечают бытовые кондиционеры и прочие системы охлаждения. Самым заметным недостатком считается цена. И не нужно забывать, что КПД кондиционера, как правило, больше 1, работает этот агрегат по принципу теплового насоса. Пусть эффективность резко падает с ростом температуры окружающей среды, термопары пока сильно отстают от традиционных методов охлаждения со своими 10%.

Высказываются иные мнения. Академик Иоффе, отдельные сентенции которого использованы в приведённом топике, предложил создавать системы для обогрева и охлаждения помещения по типу сплит-систем. В этом случае возникает осложнение, как с типичными кондиционерами, но КПД достигает 200%. Смысл: при обогреве, допустим, поглощающий тепло спай размещается снаружи, а выделяющий – в помещении. Качать из мороза жар нелегко, потому у методики присутствуют ограничения. Однако не запрещено на основе указанной методики создавать тепловые насосы.

К безусловным плюсам климатических систем, использующих элемент Пельтье, относится возможность работы в обратном направлении. Летом печка станет кондиционером. Следует лишь изменить направление протекания тока. Известны противоположные наработки, призванные превратить солнечное тепло в электрическую энергию. Но пока подобные конструкции изготавливают на основе кремния, и термопарам не находится места.

Материалы для создания термопар

Очевидно, обычные металлы для создания мощных систем не годятся. Требуются пары с мощностью от 100 мкВ на 1 градус. В последнем случае достигается высокий КПД. Материалами становятся сплавы висмута, сурьмы, теллурия, кремния, селена. К недостаткам компонентов относятся хрупкость и сравнительно малая температура работы. Низкий КПД добавляет ограничений, но с внедрением нанотехнологий появляется надежда, что привычные рамки окажутся преодолены. Учёные среди перспективных направлений называют разработку принципиально новой полупроводниковой базы с поистине уникальными свойствами, включая точное значение энергетических уровней материалов.

Эффект и элемент Пельтье – установка своими руками и термоэлектрические процессы

То, что все электронные устройства в процессе работы нагреваются, не секрет. И этот самый нагрев негативно влияет на качество работы, поэтому для охлаждения приборов в их конструкцию устанавливаются специальные элементы, которые носят имя французского изобретателя Жан-Шарля Пельтье. Устройство это миниатюрное, но именно оно отвечает за охлаждение конденсаторов. Установить элемент Пельтье своими руками не проблема, с этим справится даже новичок, главное – знать, в каком месте схемы его припаять.

Элемент Пельтье

Немного истории

Жан-Шарль Пельтье был часовщиком. Жил он в девятнадцатом веке, когда электротехника и физика были на подъеме. Все, кто хотя бы немного понимал, как работают физические законы, старались в домашних условиях делать опыты. Пельтье не стал исключением. В 1834 году он решил провести один опыт, поместив каплю воды между двумя электродами: один был изготовлен из сурьмы, второй из висмута. После чего через электроды пропустил электрический ток.

Каково его было изумления, когда вода превратилась в лед. Ведь то, что под действием электрического тока любые материалы нагревались, было известно. Но чтобы произошел обратный эффект, это была новость. Французский часовщик так и не понял, что изобрел что-то новое, которое оказалось на границе двух областей науки – электричества и термодинамики. В то время для него произошло просто волшебство.

Правда, проблемы охлаждения в те времена мало кого интересовали, поэтому эффект Пельтье так и остался невостребованным. И только через два века, когда в промышленности и быту стали использовать электронные устройства, для которых требовались миниатюрные приборы охлаждения, о Пельтье и его эффекте вспомнили.

Читайте также:  Можно ли останавливаться под знаком «Остановка запрещена»

Достоинства и недостатки

Что же получилось, в конце концов? А получился тот самый элемент Пельтье, который обладал большими достоинствами:

  • Компактность устройства, которое давало возможность установить его на электронное плато.
  • Полное отсутствие движущихся деталей, что увеличивало его срок эксплуатации.
  • Возможность соединять несколько элементов в каскадной схеме, которая позволяет снизить достаточно большие температуры.

Внимание! Если поменять полярность подключения, то эффект Пельтье будет совершенно противоположного действия. То есть, устройство будет не охлаждать, а нагревать.

Есть у этого элемента и свои недостатки.

  • Небольшой коэффициент полезного действия. Это влияет на то, что придется к нему подводить большой ток, чтобы получить заметный перепад температур.
  • Сложность отвода тепловой энергии от охлаждаемой плоскости.

Физические процессы в элементе Пельтье

Чтобы разобраться в том, что происходит в данном устройстве, необходимо погрузиться в сложность физических законов и математических выкладок. Простому обывателю в этом разобраться будет сложно, поэтому объясним все по-простому.

Все действие происходит на уровне атомной решетки материала. Поэтому для удобства объяснения заменим его любым газом, который состоит из фононов (это его частицы). Итак, температура газа зависит от нескольких показателей:

  • температуры окружающей среды;
  • от металла, а точнее, от его свойств.

Поэтому получаем в предположении, что металл представляет собой смесь фононного и электронного газа. Оба газа находятся в термодинамическом равновесии. При соприкосновении двух металлов с разной температурой происходит перемещение холодного электронного газа в теплый металл. Что и образует разность потенциалов.

Термоэлектрический эффект Пельтье

На границе контактов двух металлов, то есть на переходе, электроны забирают энергию у фононов и передают ее фононам другого металла. Если поменять полярность подключения, то процесс пойдет в обратную сторону. Перепад температур будет увеличиваться до тех пор, пока в металле есть свободные электроны с высоким потенциалом. Когда они закончатся, настанет своеобразное равновесие температур в обоих металлах. Вот так можно описать по-простому картину эффекта Пельтье.

Итак, из всех процессов, протекающих в элементе Пельтье, можно сделать вывод, что эффективность его работы зависит от точного подбора двух металлов со своими свойствами, от силы тока, который будет протекать через прибор, и от того, как быстро будет отводиться тепло из теплой зоны.

Практическое применение

Что касается практического применения, то здесь пришлось ученым провести ряд опытов, которые показали, что достигнуть увеличения теплоотвода можно одним способом – увеличить количество соединений двух разных материалов. При этом спаи материалов можно увеличивать до бесконечности. Конечно, это утрированное высказывание, но на практике количество пар, чем больше, тем лучше. Но все же основное назначение этого охлаждающего устройства – снижение температуры в микросхемах и небольших приборах.

Итак, где сейчас применяется термоэлектрический модуль Пельтье?

  • В приборах ночного видения, а точнее, в матрицах, которые принимают инфракрасное излучение.
  • В цифровых фотоаппаратах, а точнее, в приборах зарядной связи (ПЗС), а еще точнее, в их микросхемах. Все дело в том, что эти микросхемы требуют глубокого охлаждения, чтобы увеличилась эффективность регистрации картинки.
  • В телескопах, где устройства Пельтье охлаждают детекторы.
  • В системах точного времени для снижения температуры кварцевых электрогенераторов.

И это только малый список, который с недавних пор расширился за счет бытовых приборов, компьютерной техники и автомобилей (кондиционеры, охладители воды и прочее). Хотелось бы отметить высокопроизводительные микропроцессоры, в которых для снижения температуры устанавливаются высокоскоростные элементы Пельтье. И если раньше для охлаждения использовались только вентиляторы, то дополнительная установка модуля решила проблему эффективности и снижения шума.

По поводу этого возникает еще один немаловажный вопрос, будет ли проведена замена традиционных систем охлаждения в бытовых холодильниках модулями Пельтье? Сегодня это невозможно за счет низкого КПД устройства. Да и себестоимость мощных модулей пока очень высока. Но кто знает, что ждет нас в будущем. Может быть, через лет 5-10 эффект Пельтье будет использован и в бытовых холодильниках. Тем более ученые проводят сегодня опыты с кластратами – это так называемые твердотельные растворы, сильно похожие по строению и свойствам на гидраты. Именно с их помощью можно будет снизить цену охладительному модулю.

Удивительный факт

Термоэлектрическая технология данного типа обладает одной очень интересной особенностью. Эта особенность состоит в том, что можно не только получать тепло или холод из электрического тока, но и, наоборот, из тепла или холода получать электричество. То есть, в обратном случае получаем элемент Пельтье как генератор электроэнергии.

Конечно, электрогенераторы пока в стадии теории, но ведь и француз в свое время не знал, как использовать свое открытие. Так что будем надеяться, что это в скором будущем пригодится.

Заключение по теме

Итак, как видите, эффект Пельтье сегодня применяется в электронике повсеместно. Границы использования будут в скором времени расширены, это подтверждают опыты и доклады ученых. Поэтому стоит ожидать в будущем совершенно новые возможности не только в электронной техники, но и бытовой. К примеру, бесшумно работающие холодильники и компьютеры. Сегодня же радиолюбители устанавливают модули Пельтье своими руками в разные схемы, тем самым решая задачи охлаждения плат.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Холодильное оборудование и комплексы для охлаждения воздуха являются неотъемлемыми элементами повседневной жизни. Однако стандартные объемные конструкции на базе хладагентов нецелесообразны для мобильного применения, к примеру, в сумках-холодильниках. В таких случаях используются приборы, основанные на работе эффекта Пельтье, о котором мы детально расскажем в данном материале.

В основе элемента Пельтье или термоэлектрического охладителя лежит термопара из двух элементов с p- и n- типом проводимости, которые соединяются коммутационной медной пластиной. Детали в большинстве случаев изготовляются из висмута, теллура, сурьмы и селена. Такие устройства применяются в системах охлаждения бытового применения, также они имеют свойство вырабатывать энергию.

Читайте также:  Ремонт микроволновки своими руками диагностика и устранение неполадок

Что это такое?

Явление и термин Пельтье предполагают открытие, сделанное в 1834 году французским ученым Жаном-Шарлем Пельтье. Суть открытия состоит в том, что постоянно выделяется или поглощается тепло на участке, где происходит контакт двух разнонаправленных проводников, по которым течет электроток.

Классическая теория объясняет данное явление таким образом: при помощи электротока между металлами переносятся электроны, ускоряющиеся или замедляющиеся, в зависимости от контактной разности потенциалов на проводниках из металла с разным уровнем проводимости. Элементы Пельтье таким образом способствуют превращению кинетической энергии в тепловую.

На втором проводнике происходит обратный эффект, где необходимо пополнение энергии на основании фундаментального закона физики. Происходит такая ситуация благодаря процессу теплового колебания, в результате которого металл второго проводника охлаждается.

При помощи современных технологий можно изготовить модуль Пельтье с максимальным термоэлектрическим эффектом.

Устройство и принцип работы

Современные модули Пельтье являют собой конструкцию, в которой присутствуют две пластины-изолятора, а между ними в строгой последовательности соединены термопары. Стандартная схема данного элемента для лучшего понимания его функционирования приведена на рисунке.

Обозначения элементов конструкции:

  • А – контакты, при помощи которых осуществляется подсоединение к источнику питания;
  • В — горячая поверхность;
  • С — холодная сторона;
  • D – проводники из меди;
  • E – полупроводник р-перехода;
  • F – полупроводник типа n.

Элемент изготовляется так, что обе поверхности находятся в контакте с p-n или n-p переходами, исходя из полярности. Контакты p-n нагреваются, а n-p температура снижается. В результате на концах элемента появляется разница температур DT. Такой эффект означает, что тепловая энергия, которая перемещается между элементами модуля, регулирует температурный режим в зависимости от полярности. Также следует отметить, что в случае изменения полярности меняются горячая и холодная поверхности.

Технические характеристики

Технические параметры элемента Пельтье предполагают такие значения:

  • холодопроизводительность (Qmax) – рассчитывается на базе предельного тока и разницы температурного режима между концами модуля. Единица измерения – Ватт;
  • предельная температурная разница (DTmax) – измеряется в градусах, данная характеристика приводится для оптимальных условий;
  • Imax – предельная сила электротока, требуемая для обеспечения большей разницы температуры;
  • предельное напряжение Umax, которое требуется для электротока Imax для достижения максимальной температурной разницы DTmax;
  • Resistance – внутреннее сопротивление устройства, измеряется в Омах;
  • СОР – коэффициент эффективности или КПД модуля Пельтье, который отражает соотношение охлаждающей и потребляемой мощностей. В зависимости от особенностей устройства, для недорогих устройств показатель находится в пределах 0,3-0,35, для более дорогих моделей он варьируется до 0,5.

Преимуществами мобильного элемента Пельтье являются небольшие габариты, обратимость процесса, а также возможность использования в качестве переносного электрогенератора или холодильника.

Недостатками модуля являются дороговизна, невысокий КПД в рамках 3%, большие затраты электроэнергии и необходимость постоянного поддержания разницы температурных режимов.

Применение

Даже учитывая невысокий коэффициент эффективности, пластины в модуле Пельтье широко применяются в измерительных, вычислительных приборах, а также в переносной бытовой технике. Приведем перечень устройств, в которых модели являются неотъемлемой частью:

  • переносные холодильные устройства;
  • небольшие генераторы электричества;
  • комплексы охлаждения в ПК и ноутбуках;
  • кулеры для подогрева и охлаждения питьевой воды;
  • осушители воздуха.

Как подключить

Подключить модуль Пельтье можно самостоятельно, это не потребует много времени и усилий. На контакты выходов требуется подать постоянное напряжение, которое указано в инструкции по эксплуатации прибора. Красный провод подсоединяется к плюсу, а черный – к минусу. Обратите внимание, что при изменении полярности поменяются местами нагреваемая и охлаждаемая поверхности.

Перед подключением рекомендуется проверить работоспособность элемента. Одним из простых и надежных способов, как проверить устройство, является тактильный метод: для этого необходимо подсоединить устройство к источнику электротока и прикоснуться к разным контактам. У нормально функционирующего устройства одни контакты будут теплыми, а другие – охлажденными.

Также можно выполнить проверку при помощи мультиметра и зажигалки. Для этого нужно подсоединить щупы в контактам устройства, поднести зажигалку к одной стороне и наблюдать за показаниями мультиметра. Если элемент Пельтье работает в стандартном режиме, в процессе нагрева на одной стороне будет вырабатываться электроток, а данные о напряжении отобразятся на экране мультиметра.

Как сделать элемент пельтье своими руками

Элемент Пельтье нецелесообразно изготовлять в домашних условиях в связи с небольшой стоимостью и необходимостью специальных знаний для создания работоспособного элемента. Однако своими руками можно собрать эффективный мобильный термоэлектрический генератор, который пригодится на даче или в туристическом походе.

С целью стабилизации электрического напряжения потребуется собрать самостоятельно стандартный преобразователь на микросхеме ИМС L6920. На вход устройства необходимо подать напряжение 0,8-5,5 В, а на выходе он будет выдавать 5 В, этого значения достаточно для зарядки аккумулятора мобильных устройств в стандартном режиме. Если применяется стандартное электронное устройство Пельтье, тогда потребуется ограничение предельного значения температуры нагреваемой поверхности до 150 градусов. Для простоты контроля температуры целесообразно применять котелок с кипящей водой, тогда модель не будет нагреваться свыше 100 градусов.

Пластины Пельтье широко используются с целью охлаждения современной бытовой техники, в кондиционерах, эффективность устройства доказали в частности для стабилизации теплового режима и охлаждения мощного процессора. На основе элемента Пельтье часто изготовляются в домашних условиях эффективные мобильные холодильники для дачи или автомобиля, питания радиатора. В силу обратимости процесса, самодельные элементы используются в роли мобильных небольших электростанций в местностях без источника электроэнергии.

Ссылка на основную публикацию
Электроды ОЗЛ-6 характеристики и применение
Электроды ОЗЛ-6 характеристики, сфера применения, аналоги, преимущества и недостаки Электроды ОЗЛ-6 — наиболее известная марка среди профессиональных сварщиков. Они универсальны...
Эвакуировали машину — куда звонить, что делать, как забрать
Что делать, если эвакуировали машину пошаговая инструкция для водителя Эвакуация авто, особенно во время отсутствия водителя – явление неприятное. Зная,...
Эвакуировали машину в Самаре — куда звонить, что делать, как забрать
Какой штраф за эвакуацию авто в 2020 году, что делать если машину эвакуировали Что делать если машину эвакуировали, как узнать...
Электромагнетизм определение, история открытия и применение
Магнетизм (электромагнетизм) что это такое в теории элементарной физики - Zetsila Главная страница » Магнетизм (электромагнетизм): что это такое в...
Adblock detector