Катод эффект пельтье. Пельтье эффект в полупроводниках

Выполнил студент группы АТ-11

Мухарлямов Ильдар

Эффект Пельтье

Вход: электрический ток.

Выход: количество теплоты, температура.

Сущность

При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло. Тепло Пельтье, выделенное или поглощенное в слое, пропорционально полному заряду, прошедшему через спай, или произведению силы тока на время. Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.

р или n ) (см. рис.). Объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействие электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале р-n перехода, с тепловым колебаниями атомов в массив полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и соответственно тока, происходит нагрев () или охлаждение (Т с ) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (р- n или n-p переходу).

Математическое описание

Где - тепло Пельтье, Дж

П – коэффициент Пельтье;

q – заряд, прошедший через контакт, Кл;

I - Ток в проводнике, А;

t – время, с.

Тепло Пельтье меняет знак при перемене направления тока. Пределы изменения параметров:

до 1 В – полупроводник;

I –до нескольких ампер;

Q – от 0 до 50 Дж (за 1 сек.)

Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томсона:

q T,

Где
Томсона;

Применение

Модуль Пельтье Примечателен тем, что при прохождении через него электрического тока представляет собой термонасос, т.е. перекачивает тепло с одной стороны на другую, благодаря чему активно используется в различных системах охлаждения, от холодильников для напитков, до систем охлаждения мощных полупроводниковых лазеров и различных чипов, особенно там, где нужно ускорить процесс забора тепла от нагревающегося элемента. Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.

Для увеличения отношения сигнал/ шум фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) предлагается способ охлаждения фотокатодов термоэлектрическими элементами, расположенными внутри вакуумной оболочки ФЭУ (Пат. 3757151 США).

Устройство для отбора газа, в котором отвод конденсата составляет одно целое с холодильником. На внутренней стороне полого конуса закреплены холодные спаи элементов Пельтье и от него ответвляется трубопровод для отбора измерительного газа. Холодильник отличается тем, что в качестве генератора тока, потребляемого элементами Пельтье, предусмотрена батарея термоэлементов, горячие спаи которых находятся в канале дымовых газов, а холодные спаи – во внешнем пространстве (Заявка 1297У02 ФРГ).

Изображение устройства

Плюсы и минусы применения ТЭМ

Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:

сравнительно небольшие габариты;

возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;

отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.

В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:

низкий КПД модулей;

необходимость наличия источника тока для их работы;

большая потребляемая мощность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло-выделение;

ограниченные габариты

Контрольные вопросы:

В чем сущность эффекта Пельтье?

(При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло.)

От чего зависит коэффициент Пельтье?

(Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.)

Какие проводники используется в эффекте Пельтье?

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (р или n )

Как связан коэффициент Пельтье, с коэффициентом Томсона?

q T,

Где
Томсона;

Т – коэффициент температуры, К.

Основные применение эффекта?

(Используется в различных системах охлаждения)

Задачи:

Найти коэффициент Пельтье, зная что ток равный 10 А прошел за 3 секунды и выделил 50 Дж тепла.

Чему будет равен коэффициент Томсона, если заряд равен 70 Кл, а абсолютная температура равна 300 К. Коэффициент Пельтье равен 1,7 В.

Сколько выделится тепла в местах контакта разнородных проводников, если коэффициент Пельтье равен 73 мВ, а заряд прошедший через термомодуль равен 40 Кл.

Решение: Qп=П*q=2.92 (Дж).

Найти время за которое пройдет ток в проводнике зная, что напряжение 120 В, сопротивление 10 Ом. При этом выделяется 1 Дж тепла, а коэффициент Пельтье равен 60 мВ.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“Курский Государственный Университет”

Физико-математический факультет

Кафедра нанотехнологии

Курсовая работа

На тему: «Эффект Пельтье»

Выполнила: студентка 3 курса 36 группы Какурина О.А.

Проверил: доцент Челышев С.Ю.

Введение……………………………………………………………..3

1. История открытия эффекта……..………………………………………4

2. Теоретическое обоснование.……………………………………………6

3. Технические реализации эффекта……………………………...............12

4. Области применения…………………………………………………….19

Выводы……………………………………………………………....21

Список используемой литературы……………………………..…..23

Введение

Данная работа посвящена изучениютермоэлектрического явления, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохожденииэлектрического тока в местеконтакта (спая) двух разнородныхпроводников– эффекту Пельтье. В ней представлена история открытия данного явления, описывается его теоретическое обоснование, рассматриваются технические реализации эффекта, приводятся достоинства и недостатки элементов Пельтье.

Открытия термоэлектрических явлений, в частности и эффекта Пельтье, положили основу развитию самостоятельной области техники – термоэнергетики, которая занимается как вопросами прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, так и вопросами термоэлектрического охлаждения и нагрева. История открытия термоэлектрических явлений насчитывает уже более 180 лет. Практическое использование они получили только в середине XX века, то есть спустя 130 лет после открытия. В настоящее время явление Пельтье имеет широкое практическое применение. Например, оно используется для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, чтобы стабилизировать длину волны излучения; в термостатах; в оптической аппаратуре; для управления процессом кристаллизации; в качестве подогрева в целях отопления. Широко распространено в компьютерной технике; в радиоэлектрических устройствах; в медицинском и фармацевтическом оборудовании; в бытовой технике; в климатическом оборудовании; для охлаждения напитков; в лабораторных и научных приборах; в ледогенераторах; в кондиционерах; для получения электроэнергии; в электронных счетчиках расхода воды.

Цель данной работы заключается в ознакомлении с историей открытия эффекта Пельтье, в исследовании его физических основ, в изучении элементов, основанных на этом явлении, в разработке технических реализаций эффекта и в систематизации приобретённых знаний.

1. История открытия.

Череда научных открытий в «великое десятилетие» начала девятнадцатого века заложила предпосылки для овладения термоэлектричеством, безусловно, перспективнейшим направлением энергетики будущего. Научные направления в этой области постоянно развиваются, и российские ученые находятся в центре этих исследований.

История открытия термоэлектрических явлений насчитывает уже более 180 лет. Практическое использование они получили только в середине XX века, то есть спустя 130 лет после открытия и в первую очередь благодаря работам советского академика А.Ф. Иоффе. Начало же положил немецкий ученый Зеебек Томас Иоганн (1770 - 1831). В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье ">

Через 12 лет (1834 г.) после открытия Зеебека был открыт "эффект Пельтье". Этот эффект является обратным "эффекту Зеебека". Открыл это явление французский физик, метеоролог Пельтье Жан Шарль Атаназ (Рис.1). Увлечение физикой было его хобби. Ранее он работал часовщиком фирмы А.Л. Бреге, но благодаря полученному в 1815 году наследству, Пельтье смог посвятить себя экспериментам в области физики и наблюдению за метеорологическими явлениями. Как и Зеебек, Пельтье не смог правильно интерпретировать результаты своего исследования. По его убеждению полученные результаты служили иллюстрацией того, что при пропускании через цепь слабых токов универсальный закон Джоуля – Ленца о выделении тепла протекающим током не работает. Только в 1838 году петербургский академик Ленц Эмилий Христианович (1804-1865) доказал, что "эффект Пельтье" является самостоятельным физическим явлением, заключающимся в выделении и поглощении на спаях цепи добавочного тепла при прохождении постоянного тока. При этом характер процесса (поглощение или выделение) зависит от направления тока. В своём опыте Ленц экспериментировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока – таяла. Тем самым было установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом – поглощается. Двадцать лет спустя Уильям Томсон (впоследствии – лорд Кельвин) дал исчерпывающее объяснение эффектам Зеебека и Пельтье и взаимосвязи между ними. Полученные Томсоном термодинамические соотношения позволили ему предсказать третий термоэлектрический эффект, названный впоследствии его именем .

Рис. 1. Пельтье Жан Шарль Атаназ (1785 - 1845)

Данные открытия положили основу развития самостоятельной области техники – термоэнергетики, которая занимается как вопросами прямого преобразования тепловой энергии в электрическую (эффект Зеебека), так и вопросами термоэлектрического охлаждения и нагрева (эффект Пельтье). В начале 19 века немецкий инженер Альтенкирх развил эту теорию и ввел понятия холодильного коэффициента и Z-эффективности, показав, что эффект Пельтье на металлических спаях, ввиду достижимой разницы температур всего в несколько градусов, не пригоден для практического применения. И только спустя несколько десятков лет, прежде всего усилиями академика А. Иоффе и разработанной им теории твердых растворов, были теоретически и практически получены результаты, давшие импульс широкому практическому применению эффекта Пельтье.

2. Теоретическое обоснование.

Эффектом Пельтье называетсятермоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохожденииэлектрического тока в местеконтакта (спая) двух разнородныхпроводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления исилы протекающего электрического тока .

В отличие от тепла Джоуля – Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q = R·I2·t), тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

Qп = П · q (1)

где q – заряд прошедший через контакт (q = I · t), П – так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.

Величина выделяемого тепла Qп и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его прохождения:

dQп = П12· I· dt (2)

Здесь П12 = П1 – П2 – коэффициент Пельтье для данного контакта, связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье П1 и П2 контактирующих материалов. При этом считается, что ток идет от первого образца ко второму. При выделении тепла Пельтье имеем: QП > 0, П12 > 0, П1 > П2. При поглощении тепла Пельтье оно считается отрицательным и соответственно: QП < 0, П12 < 0, П1 < П2. Очевидно, что П12 = – П21.

Размерность коэффициента Пельтье:

[П] СИ = Дж / Кл = В.

Вместо тепла Пельтье часто используют физическую величину, определяемую как тепловая энергия, ежесекундно выделяющаяся на контакте единичной площади. Эта величина, получившая название – мощность тепловыделения, определяется формулой:

q · P = П12 · j , (3)

где j = I / S – плотность тока; S – площадь контакта.

Размерность этой величины:

СИ = Вт / м2.

Рис. 2. Схема опыта для измерения тепла Пельтье

(Cu – медь, Bi – висмут).

В представленной схеме опыта (Рис. 2) измерения тепла Пельтье при одинаковом сопротивлении проводов R (Cu+Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а именно по Q = R·I2·t. Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно. В соответствии с данной схемой можно измерить тепло Пельтье и вычислить значения коэффициентов Пельтье для разных пар проводников. Коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов

Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется через коэффициент Томсона:

П = a · T , (4)

где П – коэффициент Пельтье, a – коэффициент Томсона, T – абсолютная температура.

Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.

Итак, суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов .

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного метала в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.

На Рис. 3 и Рис. 4 изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами А и В.

Рис. 3. Выделение тепла Пельтье (контакт А)

Рис. 4. Поглощение тепла Пельтье (контакт А)

Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви –термоэлектродами. Через цепь течет ток I, созданный внешним источником Е. Рис. 3 иллюстрирует ситуацию, когда на контакте А (ток течет от ПП1 к ПП2) происходит выделение тепла Пельтье Qп (А) > 0, а на контакте В (ток направлен от ПП2 к ПП1) его поглощение – Qп (В) < 0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА > ТВ. На Рис. 4 изменение знака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте А и от ПП1 к ПП2 на контакте В. Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурами контактов: Qп (А) < 0, ТА < ТВ .

Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из полупроводников с электронной (n-тип) и дырочной (р-тип) проводимостью. Такие полупроводники называются, соответственно, полупроводниками с n- и р-типом проводимости или просто полупроводниками n- и р-типа. Рассмотрим ситуацию, когда ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному. При этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла. Эта ситуация рассмотрена на рис. 5, где изображены энергетические зоны (Еc – зона проводимости, Еv – валентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью .

Рис. 5. Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников р- и n - типа

На рис. 6 (Еc – зона проводимости, Еv – валентная зона) иллюстрируется поглощение тепла Пельтье для случая, когда ток идет от n- к р - полупроводнику.

Рис. 6. Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников р- и n-типа

Здесь электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться. Полупроводники p- и n-типа проводимости используются в термоэлектрических холодильниках (Рис. 7).

Рис. 7. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических холодильниках.

3. Технические реализации эффекта.

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

Модуль Пельтье (элемент Пельтье) – это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье.

Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 8.

Рис. 8. Структура модуля Пельтье.

Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников р- и п-типа, образующих р-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рис. 9 представлен внешний вид типового модуля Пельтье.

Рис. 9. Внешний вид модуля Пельтье.

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор – холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. На рис. 10 представлен пример каскадного включения типовых модулей Пельтье.

Рис. 10. Пример каскадного включения модулей Пельтье

Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными холодильниками Пельтье или просто кулерами Пельтье (Рис. 11). Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными по сравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.

Рис. 11. Внешний вид кулера с модулем Пельтье

Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства – это эффективность охлаждения:

Z = a2 / (r · l), (5)

где a – коэффициент термоэдс; r – удельное сопротивление; l – удельная теплопроводность полупроводника.

Параметр Z – функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Введение в полупроводник тех или иных примесей – основное доступное средство изменять его показатели (a, r, l) в желательную сторону. Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20оС до 200оС; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт .

Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей. И, как это отмечалось выше, для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное использование, что позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния. Также модуль является обратимым, т.е. при смене полярности постоянного тока горячая и холодная пластины меняются местами.

Однако кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладает и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. К важнейшим характеристикам относятся следующие особенности эксплуатации:

Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей. Термоэлектрические модули отличаются относительно низким коэффициентом полезного действия (кпд) и, выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла. Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создает трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и остальным компонентам компьютера. Также модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания. С учетом значения тока потребления модулей Пельтье величина мощности блока питания компьютера должна быть не менее 250 Вт. Все это приводит к целесообразности выбора материнских плат и корпусов конструктива ATX с блоками питания достаточной мощности. Использование данного конструктива облегчает для комплектующих компьютера организацию оптимальных теплового и электрического режимов.

Модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева.

Низкие температуры, возникающие в процессе работы холодильников Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Для исключения данной опасности целесообразно использовать холодильники Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера.

Кроме указанных особенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемых для охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров мощных компьютеров.

Архитектура современных процессоров (Рис. 12) и некоторые системные программы предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Это позволяет оптимизировать их энергопотребление. В обычных условиях оптимизация работы процессора и его энергопотребления благотворно сказывается как на тепловом режиме самого процессора, так и общем тепловом балансе. Однако следует отметить, что режимы с периодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующих модули Пельтье. Это связано с тем, что существующие холодильники Пельтье, как правило, рассчитаны на непрерывную работу.

Рис. 12. Процессор с модулем Пельтье

Некоторые проблемы могут возникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, тех, которые осуществляют управление вентиляторами кулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора в некоторых компьютерных системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов через встроенные аппаратные средства материнской платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора компьютера. Однако в случае использования простейших холодильников Пельтье уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье, который кроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источником дополнительного тепла.

Необходимо отметить, что, как и в случае центральных процессоров компьютеров, холодильники Пельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждения видеочипсетов, используемых в составе современных высокопроизводительных видеоадаптеров. Работа таких видеочипсетов сопровождается значительным тепловыделением и обычно не подвержена резким изменениям режимов их функционирования.

Для того чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающих конденсацию влаги из воздуха и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, таких как процессоры компьютеров, следует отказаться от использования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако как альтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающие интеллектуальные средства управления холодильниками Пельтье. Такие средства могут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров.

Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.

4. Области применения.

Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры. Термоэлектрические модули (ТЭМ) применяются в устройствах охлаждения радиоэлектронных компонентов и различных устройствах термостатирования ввиду легкости прецизионного электронного регулирования температуры как для нагрева, так и для охлаждения.

Максимальная холодопроизводительность ТЭМ получается при определенном значении тока, который при заданном значении напряжения питания показывается как Imax. Нестационарный режим питания импульсами тока, в несколько раз превышающими Imax, на некоторое время позволит получить холодопроизводительность, намного превышающую паспортную. Это объясняется тем, что сам эффект Пельтье безынерционен, в отличие от распространения теплоты джоуля и явления теплопроводности, и, в течение нескольких секунд, этим можно воспользоваться. Впрочем, нестационарные режимы широкого применения не получили.

Ввиду обратимости термоэлектрических эффектов, ТЭМ может использоваться и в качестве термоэлектрических генераторов (ТЭГ). Вдали от удобств цивилизации это может быть один из немногих доступных источников электрической энергии, например, для подзарядки аккумуляторов или прямого питания радиоэлектронной аппаратуры или других устройств. Достаточно широко используются устройства, в которых разница температур создается между наружной металлической оболочкой, нагреваемой открытым огнем (костром), и внутренней оболочкой, охлаждаемой водой. «Холодная» сторона будет ограничена температурой кипения воды, поэтому такой ТЭМ должен быть рассчитан на рабочую температуру 500 – 600°К. Следует иметь в виду, что тепловой баланс для ТЭГ качественно отличается от ТЭМ на основе эффекта Пельтье, и этот эффект (вместе с теплотой Джоуля) вносит всего несколько процентов в общий вклад, что требует совершенно других акцентов при конструировании ТЭГ. ТЭГ широко применяются в космической технике, где температура «горячей» стороны поддерживается радиоизотопным источником. Вживляемые в тело человека кардиостимуляторы также снабжены ТЭГ с радиоизотопным источником для создания разности температур.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения. В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 - 40 К ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей.

Заключение

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками. В ходе эксперимента обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое – остывает. Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснён в 1838 году Ленцем. В своём опыте Ленц экспериментировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока – таяла. Тем самым было установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом – поглощается. Данное явление было названо эффектом Пельтье.

Эффект Пельтье – этотермоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохожденииэлектрического тока в местеконтакта (спая) двух разнородныхпроводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления исилы протекающего электрического тока.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контактной разностью потенциалов между металлами. В случае ускорения кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случае кинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергии тепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом, он начинает охлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.

На основе эффекта Пельтье созданы модули (элементы) Пельтье. Они состоят из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов, которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n- > p), а снизу противоположные (p- > n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются - или наоборот. Таким образом, электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах. В настоящее время проводятся эксперименты по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение споcобствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.Таким образом, открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.

Список используемой литературы

1. Физическая энциклопедия. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.– Т.5. – С. 98 – 99, 125.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10. т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. – 4-е изд., стереот.–М.: Физматлит, 2003. – 656 с.

3. Марипов А. Физические основы электроники. – Б.: Полиграфбумресурсы, 2010. – 252 с.

4. Сивухин С.Д. Общий курс физики. – М.: Наука, 1977. – Т.3. Электричество. – С. 490 – 494.

5. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. – М.: Сов. радио, 1967. – С.75 – 83, 292 – 311.

6. Наркевич, И. И. Физика для ВТУЗов / И. И. Наркевич, Э. И. Волмянский, С. И. Лобко. - Минск: Новое знание, 2004. – 680 с.

7.Иоффе. А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы– М.; Л. : Изд-во АН СССР, 1960 . – с.188

Выделение или поглощение (в зависимости от направления тока) тепла на контакте двух разнородных полупроводников или металла и полупроводника

Анимация

Описание

ЭффектПельтье - термоэлектрическое явление, обратное эффекту Зеебека: при пропускании электрического тока I через контакт (спай) двух различных веществ (проводников или полупроводников) на контакте, помимо джоулева тепла, происходит выделение дополнительного тепла Пельтье Q P при одном направлении тока и его поглощение при обратном направлении.

Величина выделяемого тепла Q P и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его прохождения:

dQ P = p 12 Ч I Ч dt.

Здесь p 12 = p 1 -p 2 - коэффициент Пельтье для данного контакта, связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье p 1 и p 2 контактирующих материалов. При этом считается, что ток идет от первого образца ко второму. При выделении тепла Пельтье имеем: Q P >0,p 12 >0, p 1 > p 2 . При поглощении тепла Пельтье оно считается отрицательным и соответственно: Q P <0,p 12 <0, p 1

Вместо тепла Пельтье часто используют физическую величину, определяемую как тепловая энергия, ежесекундно выделяющаяся на контакте единичной площади. Эта величина, получившая название - мощность тепловыделения, определяется формулой:

q P = p 12 Ч j ,

где j=I/S - плотность тока;

S - площадь контакта;

размерность этой величины СИ =Вт/м2 .

Из законов термодинамики вытекает,что коэффициент Пельтье и коэффициент термоэдс a связаны соотношением:

p = aЧ Т ,

где Т - абсолютная температура контакта.

Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется по коэффициенту термоэдс, измерение которого более просто.

На рис. 1 и рис. 2 изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами А и В .

Выделение тепла Пельтье (контакт А)

Рис. 1

Поглощение тепла Пельтье (контакт А)

Рис. 2

Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви - термоэлектродами. Через цепь течет ток I , созданный внешним источником e . Рис. 1 иллюстрирует ситуацию, когда на контакте А (ток течет от ПП1 к ПП2 ) происходит выделение тепла Пельтье Q P (А)>0 , а на контакте В (ток направлен от ПП2 к ПП1 ) его поглощение - Q P (В)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >Т В .

На рис. 2 изменение знака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте А и от ПП1 к ПП2 на контакте В . Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурами контактов: Q P (А)<0, Q P (В)>0, Т А <Т В .

Причина возникновения эффекта Пельтье на контакте полупроводников с одинаковым видом носителей тока (два полупрводника n-типа или два полупрводника p-типа) такая же, как и в случае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье (Q P >0 ) и температура контакта повышается. При этом на другом спае носители, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки, происходит поглощение теплоты Пельтье (Q P <0 ) и понижение температуры.

Эффект Пельтье, как и все термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из электронных (n - тип) и дырочных (р - тип) полупроводников. В этом случае эффект Пельтье имеет другое объяснение. Рассмотрим ситуацию, когда ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному (р ® n). При этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла. Эта ситуация рассмотрена на рис. 3, где изображены энергетические зоны (e c - зона проводимости, e v - валентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью.

Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников р и n - типа

Рис. 3

На рис. 4 (e c - зона проводимости, e v - валентная зона) иллюстрируется поглощение тепла Пельтье для случая, когда ток идет от n к р - полупроводнику (n ® p).

Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников р и n - типа

Рис. 4

Для того, чтобы эффект Пельтье был заметен на фоне общего разогрева, связанного с выделением тепла Джоуля-Ленца, необходимо выполнение условия: Ѕ Q P Ѕі Q Дж . . В результате получаются следующие соотношения, которые необходимо учитывать при проведении экспериментов:

где R - сопротивление участка термоэлектрода длины l , на котором происходит выделение тепла;

r - удельное электросопротивление.

Коэффициент Пельтье, определяющий количество тепла Пельтье, выделяющегося на контакте, зависит от природы контактирующих веществ и температуры контакта: p 12 = a 12 ·Т=(a 1 - a 2 )·T , где a 1 иa 2 абсолютные коэффициенты термоэдс контактирующих веществ. Если для большинства пар металлов коэффициент термоэдс имеет порядок 10-5 ё 10-4 В/К, то для полупроводников он может оказаться гораздо больше (до 1.5Ч 10-3 В/К). Для полупроводников с разным типом проводимости a имеет разные знаки, вследствие чего Ѕa 12 Ѕ = Ѕa 1 Ѕ +Ѕa 2 Ѕ .

Необходимо отметить, что коэффициент термоэдс сложным образом зависит от состава и температуры полупроводника, при этом, по сравнению с металлами температурная зависимость a для полупроводников выражена значительно сильнее. Знак a определяется знаком носителей заряда. Не существует общих эмпирических, и тем более, теоретических формул, которые охватывали бы термоэлектрические свойства полупроводников в широком интервале температур. Обычно термоэлектродвижущая сила a полупроводника, начиная со значения a =0 при Т=0 , растет сначала пропорционально Т , затем более замедленно, часто остается постоянной в некотором интервале температур, а в области высоких температур (более 500Кё 700К) начинает убывать по закону a~ 1/Т.

Другой отличительной чертой полупроводников является определяющая роль примесей, введение которых позволяет не только во много раз изменять величину, но и менять знак a .

В полупроводниках со смешанной проводимостью вклады в термоэдс дырок и электронов противоположны, что приводит к малой величине a и p .

В частном случае, когда концентрации (n) и подвижности (u) электронов и дырок равны (ne = np и ue = up ) величины a и p обращаются в ноль:

a~ (ne ue - np up ) / (ne ue + np up ).

Эффект Пельтье, как и другие термоэлектрические явления имеет феноменологический характер.

Эффект Пельтье в полупроводниках используется для термоэлектрического охлаждения и подогрева, что находит практическое применение при термостатировании и в холодильных устройствах.

Явление Пельтье было открыто Ж. Пельтье (J. Peltier) в 1834 г.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до 2);

Время существования (log tc от 15 до 15);

Время деградации (log td от -3 до 2);

Время оптимального проявления (log tk от -2 до 3).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация Пельтье эффекта в полупроводниках

Основным технологическим узлом всех термоэлектрических охлаждающих устройств является термоэлектрическая батарея, набранная из последовательно соединенных термоэлементов. Так как металлические проводники обладают слабыми термоэлектрическими свойствами, термоэлементы делаются из полупроводнков, причем одна из ветвей термоэлемента должна состоять из чисто дырочного (р -тип), а другая из чисто электронного (n -тип) полупроводника. Если выбрать такое направление тока (рис. 5), при котором на контактах, расположенных внутри холодильника тепло Пельтье будет поглощаться, а на наружных контактах выделяться в окружающее пространство, то температура внутри холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника нагреваться (что происходит при любой конструкции холодильника).

Принципиальная схема термоэлектрического холодильника

Рис. 5

Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства - это эффективность охлаждения:

Z= a 2 /(rl ) ,

где a - коэффициент термоэдс;

r - удельное сопротивление;

l - удельная теплопроводность полупроводника.

Параметр Z - функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Максимальное снижение температуры связано с величиной эффективности выражением:

D Т max = (1/2) Ч Z Ч T 2 ,

где Т - температура холодного спая термоэлемента.

Чем больше значение Z для отдельных ветвей, тем больше и то значение Z = (a 1 + a 2 ) 2 /(Цr 1 l 1 +Цr 2 l 2 ) 2 , которое определяет к.п.д. всего термоэлемента. Целесообразно выбирать полупроводники с наибольшими значениями подвижности и с минимальной теплопроводностью. Введение в полупроводник тех или иных примесей - основное доступное средство изменять его показатели (a , r , l ) в желательную сторону.

Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20о С до 200о С; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.

Технологически стержни из полупроводниковых материалов с р - и n -проводимостью (1) монтируются на теплопроводящие платы из изоляционного материала (2) с помощью металлических соединителей (3) как показано на рис. 6.

Схема термоэлектрического модуля

Рис. 6

Применение эффекта

Термоэлектрический метод охлаждения обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами охлаждения. Термоэлектрические устройства отличаются простотой управления, возможностью тонкого регулирования температуры, бесшумностью, высокой надежностью работы. Основной недостаток термоэлектрических устройств- малая величина эффективности, что не позволяет их использовать для промышленного получения «холода».

Термоэлектрические охлаждающие устройства применяются в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов радиоэлектронной и оптической аппаратуры, для управления процессом кристаллизации, в медико-биологических приборах и т.д.

В компьютерной технике термоэлектрические охлаждающие устройства имеют жаргонное название ”кулеры” (от английского cooler - охладитель).

Литература

1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.5.- С.98-99, 125.

2. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.490-494.

3. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников.- М., 1967.- С.75-83, 292-311.

4. Иоффе А.Ф. Полупрводниковые термоэлементы.- М., 1960.

Ключевые слова

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

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

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Оба этих эффекта открыты в XIX веке: Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. Т. И. Зеебеком открыл одноименный эффект в 1821. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук

Меня заинтересовала эта тема потому, что элементы, придуманные в далёком в XIX веке, до сих пор эффективно используются в современных устройствах. Несмотря на то, что в каждом конкретном случае подбирается элемент с нужными параметрами, теория и источники говорят о том, что элементы взаимозаменяемы. Так это или нет, мы планируем проверить в своём исследовании.

Постановка проблемы:

Оба эффекта (эффект Пельтье и эффект Зеебека) имеют широкое применение в современной технике, а принцип работы элементов, созданных на их основе доступен для понимания в рамках изучения школьного курса физики. Между тем, эти эффекты не упоминаются в школьном курсе физики. Данная работа, кроме прикладного значения, имеет и важный методологический аспект, связанный с включением в школьный курс описания различных достижений науки.

Гипотеза исследования: существуют различия при использовании прямого и обратного эффектов Пельтье и Зеебека.

Цель исследования: выявление отличительных особенностей эффектаПельтье и эффекта Зеебека при их использовании в прямом и обратном направлении.

Задачи исследования:

Изучить историю открытия эффекта Пельтье и эффекта Зеебека.

Изучить особенности прямого и обратного эффекта Пельтье, прямого и обратного эффекта Зеебека.

Создать установку для проведения эксперимента.

Провести серию экспериментов по проверке гипотезы.

Провести анализ результатов эксперимента и сделать вывод о том подтвердилась гипотеза или нет.

Объект исследования: элемент Пельтье и элемент Зеебека.

Предмет исследования: особенности прямого и обратного эффекта эффекта Пельтье и прямого и обратного эффекта Зеебека.

Методы исследования

В исследовании применялись следующие методы:

1. Теоретические:

Анализ источников информации по истории открытия рассматриваемых в работе эффектов Пельтье и Зеебека,

Анализ сведений о принципе действия элементов Пельтье и Зеебека,

Анализ полученных экспериментальных данных.

Неполная индукция: формулировка вывода на основе данных, не охватывающих всех аспектов и возможных комбинаций характеристик исследуемых объектов.

2. Эмпирические:

Проведение серии экспериментов с целью проверки гипотезы.

Данное исследование относится к прикладным. Результаты исследования дадут ответ об эффективности возможности взаимозаменяемости элементов Пельтье и Зеебека.

Анализ источников

При описании исследуемы эффектов все источники упоминают что существует «эффект Пельтье и его обратный эффект, так называемый, эффект Зеебека» , при этом об обратном эффекте Зеебека не упоминается. В ходе этой работы, кроме обнаружения прямого и обратного эффектов Пельте и сравнения обратного эффекта Пельтье с прямым эффектом Зеебкека, мы проверим существование обратного эффекта Зеебека.

Об актуальности исследуемого вопроса говорит, то внимание, которое уделяют изучению этих эффектов зарубежные учебники . В них даётся не только описание рассматриваемых эффектов, но и их объяснение, а так же рассказывается об их применении.

Сайт российского производителя учебного оборудования ООО «3Б Сайнтифик» предлагает лабораторную установку «Эффект Зеебека» стоимостью 229 873,00 руб. , к которой прилагается методическая разработка. После её изучения мы пришли к выводу, что подобный эксперимент можно провести на оборудовании, не требующего столь высоких затрат.

Основная часть Эффект Пельте

Эфеект Пельтье - термоэлектрическое явление переноса энергии при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников, от одного проводника к другому. Также является обратным эффектом эффекта Зеебека, но при этом может выполнять и его функции .

При нагревании одной стороны и охлаждении другой стороны данный элемент может выделять электричество. И также данный элемент имеет и обратный эффект, то есть, при подключению этого элемента к электричеству одна сторона будет охлаждаться, а другая нагреваться.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека- явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах .

Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Особенности элементов Пельтье и Зеебека

Главной особеностью данных элементов является то, что элемент Пельтье имеет обратный эффект, а вот элемент Зеебека не имеет. И это не смотря на то что обратным эффектом элемента Пельтье является эффект элемента Зеебека.

В результате широкое применение в различных областях получил эффект Зеебека.

Элемент Пельтье является полной противоположностью устройствам, созданным на основе эффекта Зеебека. В данном случае, наоборот, под действием электрического тока образуется разница температур на рабочих площадках конструкции. Таким образом, с помощью электрического тока осуществляется перенос тепла с одной термопары на другую. При изменении направления тока нагреваемая сторона будет принимать противоположное состояние.

Данный эффект происходит в двух разнородных проводниках с одинаковой проводимостью. В каждом из них электроны обладают разным значением энергии и расположены они на очень близком расстоянии между собой. В результате произойдет перенос зарядов из одной среды в другую, и электроны с более высокой энергией на фоне низких уровней, отдадут излишки кристаллической решетке, вызывая нагрев. При недостатке энергии она, наоборот, передается от кристаллической решетки, приводя к охлаждению спая.

Применение эффекта Пельтье и эффекта Зеебека

Изучаемые эффекты применяются для создания термодатчиков, термоэлектрогенераторов, а также используются в комьютерах для улучшения охлаждения процесора.

В настоящее время эффект Зеебека применяется в интегрированных датчиках, в которых соответствующие пары материалов наносятся на поверхность полупроводниковых подложек. Примером таких датчиков является термоэлемент для обнаружения тепловых излучений. Поскольку кремний обладает достаточно большим коэффициентом Зеебека, на его основе изготавливаются высокочувствительные термоэлектрические детекторы.

Одно из значимых ограничений, возникающих при использовании термоэлектрического преобразователя, заключается в низком коэффициенте эффективности - 3-8%. Но если нет возможности для проведения стандартных линий электропередач, а нагрузки на сеть предполагаются небольшие, тогда применение термоэлектрических генераторов вполне оправдано. На самом деле, устройства, работающие на эффекте Зеебека, могут применяться в самых различных сферах:

1. Энергообеспечение космической техники;

2. Питание газо- и нефте- оборудования;

3. Бытовые генераторы;

4. Системы морской навигации;

5. Отопительные системы;

6. Эксплуатация отводимого автомобильного тепла;

7. Преобразователи солнечной энергии;

8. Преобразователи тепла, вырабатываемого природными источниками (например, геотермальными водами).

Эффект Пельтье используется в двух ситуациях: когда надо либо подвести тепло к месту соединения материалов, либо отвести его, что осуществляется изменением направления тока. Это свойство нашло свое применение в устройствах, где требуется осуществлять прецизионный контроль за температурой. Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.

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

Также элементы Пельтье часто применяются:

1. Для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, чтобы стабилизировать длину волны излучения;

2. В компьютерной технике;

3. В радиоэлектрических устройствах;

4. В медицинском и фармацевтическом оборудовании;

5. В бытовой технике;

6. В климатическом оборудовании;

7. В термостатах;

8. В оптической аппаратуре;

9. Для управления процессом кристаллизации;

10. Как подогрев в целях отопления;

11. Для охлаждения напитков;

12. В лабораторных и научных приборах;

13. В ледогенераторах;

14. В кондиционерах;

15. Для получения электроэнергии;

16. В электронных счетчиках расхода воды.

Конечно, охлаждающие устройства Пельтье вряд ли подходят для массового использования. Они достаточно дорогие и требуют правильного режима эксплуатации. Сегодня это, скорее, инструмент для любителей разгона процессоров. Однако в случае необходимости сильного охлаждения процессоров кулеры Пельтье являются наиболее эффективными устройствами.

Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.

Описание экспериментальной установки

Для проведения эксперимента была создана установка, позволяющая получить необходимые данные.

Для уменьшения теплообмена с окружающей средой необходимо создать термостат. В экспериментальной установке это достигнуто с помощью теплоизоляционных материалов, используемых при строительстве, в котром созданы две ванны, разделённые в одном случае элементов Пельтье, в другом случае элементом Зеебека. В качестве ванночки использовались влагонепроницаемые коробочки от сока. Гидроизоляция элементов достигнута с помощью клеевого пистолета.

Для проведения эксперимента были подобраны элементы Пельтье и Зеебека с близкими характеристиками: рабочее напряжение и мощность.

В качестве измерительных приборов для фиксирования температуры использовались мультиметры.

Значение напряжения снималось также с помощью мультиметра или вольтметра.

Методика проведения эксперимента

В зависимости от исследуемого элемента, в разные секции ванночек заливалась либо вода разной температуры (прямой эффект Зеебека и обратный эффекта Пельтье), либо вода одинаковой температуры для обнаружения прямого эффекта Пельтье и обратного эффекта Зеебека).

Показания датчиков температуры заносились в таблицу (приложение 1), на основе которой были построены графики зависимости напряжения от температуры.

Каждый эксперимент проводился в течении 7 - 10 минут.

Результаты эксперимента

На основании данных, полученных в ходе четырёх экспериментов, построены графики

В ходе эксперимента наблюдается прямой эффет Зеебека и обратный эффект Пельтье соответствующих элементов, значения напряжений на которых примерно одинаковы. Как видно из графика зависимость напряжения на элементе от разницы температур поверхностей аналогичны. Различие в значениях объясняется различием в характеристиках объектов.

Сравнение прямого эффекта Пельтье и обратного эффекта Зеебека

Обратный эффект Зеебека

Как видно из графика, с учётом погрешностей, связанных с конструктивными особенностями прибора (указано в инструкции) можно считать, что температура в ходе эксперимента не менялась, что говорит о том, обратный эффект Зеебека не зарегистрировано.

Об этом можно судить и по графику с добавление линии тренда

Прямой эффект Пельтье

Эксперимент подтвердил наличие прямого эффекта Пельтье: в одной части ванночки температура увеличивалась, в другой падала.

Аналогичный вывод следует из анализа изменения разности температур двух сторон элемента Пельтье.

Вывод:

Элемент Пельтье имеет как прямой, так и обратный эффектеы. Элмент Зеебека возможно использовать только в прямом направлении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При работе над исследованием на основе доступных источников изучена история и особенности прямого и обратного эффекта Пельтье, прямого и обратного эффекта Зеебека.

Создание эффективной установки позволило качественно провести запланированные эксперименты для подтверждена выдвинутой гипотезы.

В ходе исследования выявлены отличительные особенности эффектаПельтье и эффекта Зеебека при их использовании в прямом и обратном направлении.

Полностью подтвердилось предположение об отсутствии обратного эффекта Зеебека. Исходя из этого утверждения следует помнить, что такие элементы как элемент Пельтье и Зеебека эффективнее использовать по прямому назначению, хотя и существует возможность использования прямого эффета Зеебека и обратного эффекта Пельтье. При наличии конструктивных сходств, все-таки для соблюдения технологии следует работать с конкретным эффектом.

После детального изучения эффекта Пельтье можно сделать вывод: несмотря на то, что использование эффекта Пельтье требует дополнительных мер и исследований по изучению безопасного и рационального использования модулей Пельтье в качестве охлаждающих устройств, это явление чрезвычайно перспективно.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10. т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. - 4-е изд., стереот.-м.: Физматлит, 2000. - 656 с.

2. Наркевич И.И. Физика: Учеб./ И.И. Наркевич, Э.И. Вомлянский, С.И. Лобко. - Мн.: Новое знание, 2004. - 680 с.

3. Роуэлл Г., Герберт С. Физика / Пер. с англ. под ред. В.Г. Разумовского. - М.: Просвещение, 1994. - 576 с.: ил.

4. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.490-494.

5.. Физика: Энциклопедия./ Под. Ред. Ю.В. Прохорова. - М.: Большая Российская Энциклопедия, 2003. - 944 с.: ил., 2 л. цв.

6. Физическая энциклопедия, т. 5. Стробоскопические приборы - яркость/ Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Балдин, Большая Российская Энциклопедия, 1998. - 760 с.

7. Vladimir Lank, Miroslav Vondra. Fizika v kocke. - Ceska republika: FRAGMENT, 2000. - 120 с. Учебник для средней школы, Словацкая республика.

8. Tsokos K.A. Physics for the IB Diploma. Fifth edition. - UK: Cambridge Universyty Press, 2004. - 850 с. Учебник для программы международного бакалавриата

9. Сайт компании 3bscientific. [электронный ресурс]// https://www.3bscientific.ru/лабораторная-установка-эффект-зеебека-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (дата обращения: 18 февраля 2018 г.)

Приложение 1. Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Прямой эффект Зеебека

Время t, с	Разница температур Δ t, о С	Напряжение U, В

Эксперимент 2. Обратный эффект Пельтье

Время t, с	Температура холодной воды t x , о С	Температура горячей воды t г, о С	Разница температур Δ t, о С	Напряжение U, В

Эксперимент 3. Обратный эффект Зеебека

Время t, с	Температура холодной воды t x , о С	Температура горячей воды t г, о С	Разница температур Δ t, о С	Напряжение

Эксперимент 4. Прямой эффект Пельтье

Время t, с	Температура холодной воды t x , о С	Температура горячей воды t г, о С	Разница температур Δ t, о С	Напряжение U, В

Приложение 2. Фотография установки

Открыт в 1834 г. Ж. Пельтье , который обнаружил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. В 1838 г. Э. Х. Ленц показал, что при достаточно большой силе тока можно либо заморозить, либо довести до кипения каплю воды, нанесенную на спай, изменяя направление тока.

Сущность эффекта Пельтье состоит в том, что при прохождении электрического тока через контакт двух металлов или полупроводников в области их контакта в дополнение к обычному джоулеву теплу выделяется или поглощается дополнительное количество тепла, называемого теплом Пельтье Q п . В отличие от джоулева тепла, которое пропорционально квадрату силы тока, величина Q п пропорциональна первой степени тока.

Q п = П. I . t .

t - время прохождения тока,

I - сила тока.

П - коэффициент Пельтье, коэффициент пропорциональности, зависящий от природы материалов, образующих контакт. Теоретические представления позволяют выразить коэффициент Пельтье через микроскопические характеристики электронов проводимости.

Коэффициент Пельтье П = Т D a , где Т - абсолютная температура, а Δ α - разность термоэлектрических коэффициентов проводников. От направления тока зависит, выделяется или поглощается тепло Пельтье.

Причина возникновения эффекта заключается в том, что в случае контакта металлов или полупроводников на границе возникает внутренняя контактная разность потенциалов. Это приводит к тому, что потенциальная энергия носителей по обе стороны контакта становится различной, так как средняя энергия носителей тока зависит от их энергетического спектра, концентрации и механизмов их рассеяния и различна в разных проводниках. Так как средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, в разных проводниках различается, в процессе соударений с ионами решетки носители отдают избыток кинетической энергии решетке, и тепло выделяется. Если при переходе через контакт потенциальная энергия носителей уменьшается, то увеличивается их кинетическая энергия и электроны, сталкиваясь с ионами решетки, увеличивают свою энергия до среднего значения, при этом тепло Пельтье поглощается. Таким образом, при переходе электронов через контакт электроны либо передают избыточную энергия атомам, либо пополняют ее за их счет.

При переходе электронов из полупроводника в металл энергия электронов проводимости полупроводника значительно выше уровня Ферми (см. Ферми энергия) металла, и электроны отдают свою избыточную энергию. Эффект Пельтье особенно велик у полупроводников, что используется для создания охлаждающих и обогревающих полупроводниковых приборов, в том числе для создания микрохолодильников в холодильных установках.