Peltier effect cathode. Peltier effect sa semiconductors

Isinagawa ng isang mag-aaral mula sa pangkat ng AT-11

Mukharlyamov Ildar

Peltier effect

Input: electric current.

Output: dami ng init, temperatura.

Kakanyahan

Kapag ang isang direktang electric current ay dumadaloy sa isang circuit na binubuo ng hindi magkatulad na mga conductor, ang init ay nasisipsip o inilabas sa mga contact point (junctions) ng mga conductor, depende sa direksyon ng kasalukuyang. Ang init ng Peltier na inilabas o nasipsip sa layer ay proporsyonal sa kabuuang singil na dumadaan sa junction, o ang produkto ng kasalukuyan at oras. Ang koepisyent ng Peltier ay nakasalalay sa uri ng pakikipag-ugnay sa mga konduktor at sa kanilang mga temperatura.

R o n) (tingnan ang larawan). Ang paliwanag ng epekto ng Peltier ay nakasalalay sa pakikipag-ugnayan ng mga electron ng pagpapadaloy, pinabagal o pinabilis sa potensyal ng pakikipag-ugnay ng pn junction, na may mga thermal vibrations ng mga atom sa array ng semiconductor. Bilang resulta, depende sa direksyon ng paggalaw ng mga electron at, nang naaayon, nangyayari ang kasalukuyang, pag-init () o paglamig. (T Sa ) seksyon ng semiconductor na kaagad na katabi ng junction (R-n o n-p junction).

Paglalarawan ng matematika

saan - Lalong init, J

P - koepisyent ng Peltier;

q– dumaan ang singil sa contact, C;

ako- Kasalukuyang nasa konduktor, A;

t– oras, s.

Ang tanda ng pagbabago ng init ng Peltier kapag nagbabago ang direksyon ng kasalukuyang. Mga limitasyon sa pagbabago ng parameter:

hanggang sa 1 V - semiconductor;

ako- hanggang sa ilang amperes;

Q– mula 0 hanggang 50 J (sa 1 seg.)

Ang Peltier coefficient ay maaaring ipahayag sa mga tuntunin ng Thomson coefficient:

q T,

saan
Thomson;

Aplikasyon

Ang Peltier module ay kapansin-pansin sa katotohanan na kapag ang electric current ay dumaan dito, ito ay gumaganap bilang isang thermal pump, i.e. nagbomba ng init mula sa isang panig patungo sa isa, dahil sa kung saan ito ay aktibong ginagamit sa iba't ibang mga sistema ng paglamig, mula sa mga refrigerator ng inumin hanggang sa mga sistema ng paglamig para sa makapangyarihang mga laser semiconductor at iba't ibang mga chip, lalo na kung saan kinakailangan upang mapabilis ang proseso ng pagkuha ng init mula sa isang elemento ng pag-init. Ang mga pangunahing lugar ng praktikal na paggamit ng epekto ng Peltier sa mga semiconductor: pagkuha ng malamig upang lumikha ng mga thermoelectric cooling device, pag-init para sa mga layunin ng pagpainit, pag-thermostat, pagkontrol sa proseso ng pagkikristal sa ilalim ng pare-pareho ang mga kondisyon ng temperatura.

Upang mapataas ang ratio ng signal-to-noise ng mga photomultiplier tubes (PMTs), iminungkahi ang isang paraan para sa paglamig ng mga photocathode na may mga elementong thermoelectric na matatagpuan sa loob ng vacuum shell ng PMT (US Pat. 3757151).

Isang gas sampling device kung saan ang condensate drain ay integral sa refrigerator. Ang malamig na mga junction ng mga elemento ng Peltier ay naayos sa loob ng hollow cone, at isang pipeline na nagsanga mula dito para sa pag-sample ng pagsukat ng gas. Ang refrigerator ay naiiba dahil ang isang baterya ng mga thermoelement ay ibinigay bilang isang generator ng kasalukuyang natupok ng mga elemento ng Peltier, ang mga mainit na junction na kung saan ay matatagpuan sa tambutso ng gas channel, at ang malamig na mga junction ay nasa panlabas na espasyo (Application 1297U02 Germany).

Larawan ng device

Mga kalamangan at kahinaan ng paggamit ng TEM

Kadalasan, ang mga pakinabang ng mga module ng Peltier ay kinabibilangan ng:

medyo maliit na sukat;

ang kakayahang magtrabaho kapwa para sa paglamig at pag-init ng system;

walang gumagalaw na bahagi o mekanikal na bahagi na napapailalim sa pagsusuot.

Kasabay nito, ang mga TEM ay may ilang mga kawalan na makabuluhang humahadlang sa kanilang malawakang praktikal na paggamit. Kabilang sa mga ito ay ang mga sumusunod:

mababang kahusayan ng module;

ang pangangailangan para sa isang kasalukuyang mapagkukunan para sa kanilang operasyon;

malaking pagkonsumo ng kuryente upang makamit ang isang kapansin-pansing pagkakaiba sa temperatura at, bilang isang resulta, makabuluhang henerasyon ng init;

limitadong sukat

Mga tanong sa pagkontrol:

Ano ang kakanyahan ng epekto ng Peltier?

(Kapag ang isang direktang electric current ay dumadaloy sa isang circuit na binubuo ng hindi magkatulad na mga conductor, ang init ay sinisipsip o inilalabas sa mga contact point (junctions) ng mga conductor, depende sa direksyon ng kasalukuyang.)

Ano ang nakasalalay sa koepisyent ng Peltier?

(Ang koepisyent ng Peltier ay nakasalalay sa uri ng pakikipag-ugnay sa mga konduktor at ang kanilang mga temperatura.)

Anong mga konduktor ang ginagamit sa epekto ng Peltier?

Ang epekto ng Peltier ay pinaka-binibigkas sa mga contact ng semiconductors na may iba't ibang uri ng conductivity ( R o n)

Paano nauugnay ang coefficient ng Peltier sa coefficient ng Thomson?

q T,

saan
Thomson;

T - koepisyent ng temperatura, K.

Pangunahing aplikasyon ng epekto?

(Ginagamit sa iba't ibang mga sistema ng paglamig)

Mga gawain:

Hanapin ang koepisyent ng Peltier, alam na ang isang kasalukuyang ng 10 A ay dumaan sa loob ng 3 segundo at naglabas ng 50 J ng init.

Ano ang magiging katumbas ng Thomson coefficient kung ang charge ay 70 C at ang absolute temperature ay 300 K. Ang Peltier coefficient ay 1.7 V.

Gaano karaming init ang ilalabas sa mga punto ng pakikipag-ugnay ng hindi magkatulad na mga konduktor kung ang koepisyent ng Peltier ay 73 mV, at ang singil na dumaan sa thermal module ay 40 C.

Solusyon: Qp=P*q=2.92 (J).

Hanapin ang oras na kinakailangan para sa kasalukuyang upang pumasa sa konduktor, alam na ang boltahe ay 120 V, ang paglaban ay 10 Ohms. Sa kasong ito, 1 J ng init ang pinakawalan, at ang Peltier coefficient ay 60 mV.

Ministri ng Edukasyon at Agham ng Russian Federation

FEDERAL STATE BUDGET EDUCATIONAL INSTITUTION

HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION

"Universidad ng Kursk State"

Faculty ng Physics at Mathematics

Kagawaran ng Nanotechnology

gawaing kurso

Sa paksa: "Peltier effect"

Nakumpleto ni: 3rd year student ng pangkat 36 Kakurina O.A.

Sinuri ni: Associate Professor Chelyshev S.Yu.

Panimula……………………………………………………………..3

1. Kasaysayan ng pagtuklas ng epekto……..…………………………………………4

2. Teoretikal na background……………………………………………………6

3. Teknikal na pagpapatupad ng epekto………………………………………………………………12

4. Mga Aplikasyon…………………………………………………….19

Konklusyon………………………………………………………………………………21

Listahan ng mga sanggunian………………………………………..23

Panimula

Ang gawaing ito ay nakatuon sa pag-aaral ng thermoelectric phenomenon, kung saan ang init ay inilabas o hinihigop kapag ang isang electric current ay pumasa sa punto ng contact (junction) ng dalawang hindi magkatulad na conductor - ang Peltier effect. Inilalahad nito ang kasaysayan ng pagtuklas ng hindi pangkaraniwang bagay na ito, inilalarawan ang teoretikal na katwiran nito, sinusuri ang teknikal na pagpapatupad ng epekto, at ipinakita ang mga pakinabang at disadvantages ng mga elemento ng Peltier.

Ang mga pagtuklas ng thermoelectric phenomena, lalo na ang Peltier effect, ay naglatag ng pundasyon para sa pagbuo ng isang independiyenteng larangan ng teknolohiya - thermoenergetics, na tumatalakay sa parehong direktang conversion ng thermal energy sa electrical energy at mga isyu ng thermoelectric cooling at heating. Ang kasaysayan ng pagtuklas ng thermoelectric phenomena ay bumalik nang higit sa 180 taon. Nakatanggap sila ng praktikal na paggamit lamang sa kalagitnaan ng ika-20 siglo, iyon ay, 130 taon pagkatapos ng kanilang pagtuklas. Sa kasalukuyan, ang Peltier phenomenon ay may malawak na praktikal na aplikasyon. Halimbawa, ito ay ginagamit upang palamig at temperatura control diode lasers upang patatagin ang emission wavelength; sa mga thermostat; sa optical equipment; upang kontrolin ang proseso ng pagkikristal; bilang isang preheater para sa mga layunin ng pagpainit. Malawakang ginagamit sa teknolohiya ng computer; sa mga radioelectric na aparato; sa kagamitang medikal at parmasyutiko; sa mga gamit sa bahay; sa mga kagamitan sa pagkontrol sa klima; para sa mga pampalamig na inumin; sa laboratoryo at mga instrumentong pang-agham; sa mga gumagawa ng yelo; sa mga air conditioner; upang makabuo ng kuryente; sa mga electronic water flow meter.

Ang layunin ng gawaing ito ay upang maging pamilyar sa kasaysayan ng pagtuklas ng epekto ng Peltier, pag-aralan ang mga pisikal na pundasyon nito, pag-aralan ang mga elemento batay sa hindi pangkaraniwang bagay na ito, upang bumuo ng mga teknikal na pagpapatupad ng epekto at upang i-systematize ang nakuha na kaalaman.

1. Kasaysayan ng pagtuklas.

Ang isang serye ng mga siyentipikong pagtuklas sa "dakilang dekada" ng unang bahagi ng ikalabinsiyam na siglo ay naglatag ng mga paunang kondisyon para sa karunungan ng thermoelectricity, walang alinlangan ang pinaka-maaasahan na direksyon sa sektor ng enerhiya sa hinaharap. Ang mga direksyong pang-agham sa lugar na ito ay patuloy na umuunlad, at ang mga siyentipikong Ruso ay nasa gitna ng pananaliksik na ito.

Ang kasaysayan ng pagtuklas ng thermoelectric phenomena ay bumalik nang higit sa 180 taon. Nakatanggap sila ng praktikal na paggamit lamang sa kalagitnaan ng ika-20 siglo, iyon ay, 130 taon pagkatapos ng kanilang pagtuklas at higit sa lahat salamat sa gawain ng akademikong Sobyet na si A.F. Ioff. Sinimulan ito ng Aleman na siyentipiko na si Thomas Johann Seebeck (1770 - 1831). Noong 1822, inilathala niya ang mga resulta ng kanyang mga eksperimento sa artikulong ">

12 taon (1834) pagkatapos ng pagtuklas ni Seebeck, ang "Peltier effect" ay natuklasan. Ang epektong ito ay kabaligtaran ng epekto ng Seebeck. Ang phenomenon na ito ay natuklasan ng French physicist at meteorologist na si Peltier Jean Charles Atanaz (Fig. 1). Physics ang naging hobby niya. Dati, nagtrabaho siya bilang watchmaker para sa A.L. Breguet, ngunit salamat sa pamana na natanggap noong 1815, nagawa ni Peltier na italaga ang kanyang sarili sa mga eksperimento sa pisika at pagmamasid sa meteorological phenomena. Tulad ng Seebeck, hindi nagawang bigyang-kahulugan ni Peltier nang tama ang mga resulta ng kanyang pananaliksik. Sa kanyang opinyon, ang mga resulta na nakuha ay nagsilbi bilang isang paglalarawan ng katotohanan na kapag ang mahinang alon ay dumaan sa isang circuit, ang unibersal na batas ng Joule-Lenz sa pagpapakawala ng init ng isang dumadaloy na kasalukuyang ay hindi gumagana. Noong 1838 lamang, pinatunayan ng akademikong St. Petersburg na si Emilius Christianovich Lenz (1804-1865) na ang "Peltier effect" ay isang independiyenteng pisikal na kababalaghan na binubuo sa pagpapalabas at pagsipsip ng karagdagang init sa mga junction ng circuit sa panahon ng pagpasa ng direktang kasalukuyang. . Sa kasong ito, ang likas na katangian ng proseso (pagsipsip o paglabas) ay nakasalalay sa direksyon ng kasalukuyang. Sa kanyang eksperimento, nag-eksperimento si Lenz sa isang patak ng tubig na inilagay sa junction ng dalawang konduktor (bismuth at antimony). Kapag ang isang agos ay dumaan sa isang direksyon, ang isang patak ng tubig ay nagyelo, at kapag ang direksyon ng agos ay nagbago, ito ay natunaw. Kaya, ito ay itinatag na kapag ang kasalukuyang pumasa sa pamamagitan ng contact ng dalawang konduktor, ang init ay inilabas sa isang direksyon at hinihigop sa isa pa. Makalipas ang dalawampung taon, nagbigay si William Thomson (mamaya Lord Kelvin) ng komprehensibong paliwanag ng mga epekto ng Seebeck at Peltier at ang relasyon sa pagitan nila. Ang mga ugnayang thermodynamic na nakuha ni Thomson ay nagpapahintulot sa kanya na mahulaan ang ikatlong thermoelectric effect, na kalaunan ay pinangalanan sa kanya.

kanin. 1. Peltier Jean Charles Athanaz (1785 - 1845)

Ang mga pagtuklas na ito ay naglatag ng pundasyon para sa pagbuo ng isang independiyenteng larangan ng teknolohiya - thermoenergetics, na tumatalakay sa parehong direktang conversion ng thermal energy sa electrical energy (ang Seebeck effect) at ang mga isyu ng thermoelectric cooling at heating (ang Peltier effect). Noong unang bahagi ng ika-19 na siglo, binuo ng inhinyero ng Aleman na si Altenkirch ang teoryang ito at ipinakilala ang mga konsepto ng coefficient of performance at Z-efficiency, na nagpapakita na ang epekto ng Peltier sa mga metal junction, dahil sa makakamit na pagkakaiba ng temperatura ng ilang degree lamang, ay hindi angkop. para sa praktikal na aplikasyon. At ilang dekada lamang ang lumipas, pangunahin sa pamamagitan ng pagsisikap ng Academician na si A. Ioffe at ang teorya ng mga solidong solusyon na kanyang binuo, ang mga resulta ay theoretically at praktikal na nakuha na nagbigay ng lakas sa malawakang praktikal na aplikasyon ng Peltier effect.

2. Teoretikal na pagbibigay-katwiran.

Ang Peltier effect ay isang thermoelectric phenomenon kung saan ang init ay inilalabas o nasisipsip kapag ang isang electric current ay dumaan sa punto ng contact (junction) ng dalawang magkaibang konduktor. Ang dami ng init na nabuo at ang pag-sign nito ay nakasalalay sa uri ng pakikipag-ugnay sa mga sangkap, ang direksyon at lakas ng daloy ng kuryente.

Hindi tulad ng init ng Joule–Lenz, na proporsyonal sa parisukat ng kasalukuyang lakas (Q = R·I2·t), ang init ng Peltier ay proporsyonal sa unang kapangyarihan ng kasalukuyang lakas at nagbabago ang tanda kapag nagbabago ang direksyon ng huli. . Ang peltier heat, tulad ng ipinakita ng mga eksperimentong pag-aaral, ay maaaring ipahayag ng formula:

Qп = П · q (1)

kung saan ang q ay ang singil na dumaan sa contact (q = I t), ang P ay ang tinatawag na Peltier coefficient, ang halaga nito ay nakasalalay sa likas na katangian ng mga materyales sa pakikipag-ugnay at ang kanilang temperatura.

Ang dami ng init na nabuo ng Qп at ang tanda nito ay nakasalalay sa uri ng mga sangkap na nakikipag-ugnay, ang lakas ng kasalukuyang at ang oras ng pagpasa nito:

dQп = П12· I· dt (2)

Dito ang P12 = P1 – P2 ay ang Peltier coefficient para sa isang partikular na contact, na nauugnay sa absolute Peltier coefficients na P1 at P2 ng mga contacting material. Sa kasong ito, ipinapalagay na ang kasalukuyang dumadaloy mula sa unang sample hanggang sa pangalawa. Kapag ang Peltier heat ay inilabas, mayroon tayong: QP > 0, P12 > 0, P1 > P2. Kapag ang init ng Peltier ay nasisipsip, ito ay itinuturing na negatibo at, nang naaayon: QP< 0, П12 < 0, П1 < П2. Очевидно, что П12 = – П21.

Sukat ng koepisyent ng Peltier:

[P] SI = J / Cl = V.

Sa halip na init ng Peltier, kadalasang ginagamit ang isang pisikal na dami, na tinukoy bilang thermal energy na inilalabas bawat segundo sa isang contact ng isang unit area. Ang dami na ito, na tinatawag na heat release power, ay tinutukoy ng formula:

q P = P12 j , (3)

kung saan j = I / S - kasalukuyang density; S - lugar ng contact.

Ang sukat ng dami na ito:

SI = W/m2.

kanin. 2. Scheme ng eksperimento para sa pagsukat ng init ng Peltier

(Cu – tanso, Bi – bismuth).

Sa ipinakita na pang-eksperimentong diagram (Larawan 2) para sa pagsukat ng init ng Peltier, na may parehong paglaban ng mga wire na R (Cu+Bi) na ibinaba sa mga calorimeter, ang parehong init ng Joule ay ilalabas sa bawat calorimeter, lalo na sa Q = R· I2·t. Ang peltier heat, sa kabaligtaran, ay magiging positibo sa isang calorimeter at negatibo sa isa pa. Alinsunod sa pamamaraang ito, posibleng sukatin ang init ng Peltier at kalkulahin ang mga halaga ng mga coefficient ng Peltier para sa iba't ibang mga pares ng conductor. Ang koepisyent ng Peltier ay makabuluhang nakadepende sa temperatura. Ang ilang mga halaga ng koepisyent ng Peltier para sa iba't ibang mga pares ng mga metal ay ipinakita sa Talahanayan 1.

Talahanayan 1.

Mga halaga ng peltier coefficient para sa iba't ibang pares ng mga metal

Ang Peltier coefficient, na isang mahalagang teknikal na katangian ng mga materyales, ay karaniwang hindi sinusukat, ngunit kinakalkula sa pamamagitan ng Thomson coefficient:

P = a T, (4)

kung saan ang P ay ang koepisyent ng Peltier, ang a ay ang koepisyent ng Thomson, ang T ay ang ganap na temperatura.

Ang pagtuklas ng epekto ng Peltier ay nagkaroon ng malaking impluwensya sa kasunod na pag-unlad ng pisika, at kasunod na iba't ibang larangan ng teknolohiya.

Kaya, ang kakanyahan ng bukas na epekto ay ang mga sumusunod: kapag ang isang electric current ay dumaan sa contact ng dalawang conductor na gawa sa iba't ibang mga materyales, depende sa direksyon nito, bilang karagdagan sa init ng Joule, ang karagdagang init ay inilabas o hinihigop, na tinatawag na Peltier init. Ang antas ng pagpapakita ng epekto na ito ay higit sa lahat ay nakasalalay sa mga materyales ng mga napiling konduktor at ang mga de-koryenteng mode na ginamit.

Ang klasikal na teorya ay nagpapaliwanag sa Peltier phenomenon sa pamamagitan ng katotohanan na ang mga electron na inililipat ng kasalukuyang mula sa isang metal patungo sa isa pa ay pinabilis o pinabagal ng panloob na pagkakaiba sa potensyal ng pakikipag-ugnay sa pagitan ng mga metal. Sa unang kaso, ang kinetic energy ng mga electron ay tumataas at pagkatapos ay inilabas bilang init. Sa pangalawang kaso, ang kinetic energy ng mga electron ay bumababa, at ang pagkawala ng enerhiya na ito ay replenished dahil sa thermal vibrations ng mga atomo ng pangalawang conductor. Bilang resulta, nangyayari ang paglamig. Ang isang mas kumpletong teorya ay hindi isinasaalang-alang ang pagbabago sa potensyal na enerhiya kapag ang isang elektron ay inilipat mula sa isang metal patungo sa isa pa, ngunit ang pagbabago sa kabuuang enerhiya.

Sa Fig. 3 at Fig. Ipinapakita ng Figure 4 ang isang closed circuit na binubuo ng dalawang magkaibang semiconductors na PP1 at PP2 na may mga contact A at B.

kanin. 3. Peltier heat release (contact A)

kanin. 4. Peltier heat absorption (contact A)

Ang ganitong circuit ay karaniwang tinatawag na thermoelement, at ang mga sanga nito ay tinatawag na thermoelectrodes. Ang isang kasalukuyang nilikha ko ng isang panlabas na pinagmumulan E ay dumadaloy sa circuit. Fig. Ang Figure 3 ay naglalarawan ng sitwasyon kapag sa contact A (ang kasalukuyang dumadaloy mula PP1 hanggang PP2) Peltier heat ay inilabas Qп (A) > 0, at sa contact B (ang kasalukuyang ay nakadirekta mula PP2 hanggang PP1) ang pagsipsip nito ay Qп (B)< 0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА >TV. Sa Fig. 4, ang pagbabago sa tanda ng pinagmulan ay nagbabago sa direksyon ng kasalukuyang sa kabaligtaran: mula PP2 hanggang PP1 sa contact A at mula PP1 hanggang PP2 sa contact B. Alinsunod dito, ang tanda ng Peltier heat at ang relasyon sa pagitan ng contact mga pagbabago sa temperatura: Qp (A)< 0, ТА < ТВ .

Ang epekto ng Peltier, tulad ng maraming thermoelectric phenomena, ay partikular na binibigkas sa mga circuit na binubuo ng mga semiconductor na may electronic (n-type) at hole (p-type) conductivity. Ang nasabing mga semiconductor ay tinatawag, ayon sa pagkakabanggit, n- at p-type semiconductors o simpleng n- at p-type na semiconductors. Isaalang-alang natin ang sitwasyon kapag ang kasalukuyang nasa contact ay napupunta mula sa isang hole semiconductor patungo sa isang electronic. Sa kasong ito, ang mga electron at butas ay gumagalaw patungo sa isa't isa at, kapag nakilala, muling pinagsama. Bilang resulta ng recombination, ang enerhiya ay inilabas, na inilabas sa anyo ng init. Ang sitwasyong ito ay ipinapakita sa Fig. 5, na nagpapakita ng mga energy band (Ec – conduction band, Еv – valence band) para sa impurity semiconductors na may butas at electronic conductivity.

kanin. 5. Peltier heat generation sa contact ng p- at n-type semiconductors

Sa Fig. 6 (Ec – conduction band, Еv – valence band) ay naglalarawan ng pagsipsip ng Peltier heat para sa kaso kapag ang kasalukuyang dumadaloy mula sa isang n- patungo sa p-semiconductor.

kanin. 6. Peltier heat absorption sa contact ng p- at n-type semiconductors

Dito, ang mga electron sa isang electronic semiconductor at mga butas sa isang hole semiconductor ay gumagalaw sa magkasalungat na direksyon, lumalayo sa interface. Ang pagkawala ng kasalukuyang mga carrier sa rehiyon ng hangganan ay binabayaran ng pairwise na produksyon ng mga electron at butas. Ang pagbuo ng gayong mga pares ay nangangailangan ng enerhiya, na ibinibigay ng mga thermal vibrations ng mga atomo ng sala-sala. Ang mga nagresultang electron at butas ay iginuhit sa magkasalungat na direksyon ng electric field. Samakatuwid, hangga't ang kasalukuyang dumadaloy sa contact, ang mga bagong pares ay patuloy na ipinanganak. Bilang resulta, ang init ay masisipsip sa pakikipag-ugnay. Ang mga semiconductor ng p- at n-type na conductivity ay ginagamit sa mga thermoelectric refrigerator (Larawan 7).

kanin. 7. Paggamit ng p- at n-type na semiconductors sa mga thermoelectric refrigerator.

3. Teknikal na pagpapatupad ng epekto.

Ang pagsasama-sama ng isang malaking bilang ng mga pares ng p- at n-type na mga semiconductor ay ginagawang posible na lumikha ng mga elemento ng paglamig - Peltier module na medyo mataas ang kapangyarihan.

Ang Peltier module (Peltier element) ay isang thermoelectric converter na ang prinsipyo ng pagpapatakbo ay batay sa Peltier effect.

Ang istraktura ng isang semiconductor thermoelectric Peltier module ay ipinapakita sa Fig. 8.

kanin. 8. Istraktura ng Peltier module.

Ang Peltier module ay isang thermoelectric refrigerator na binubuo ng p- at n-type semiconductors na konektado sa serye, na bumubuo ng p-n- at n-p junctions. Ang bawat isa sa mga junction na ito ay may thermal contact sa isa sa dalawang radiator. Bilang isang resulta ng pagpasa ng isang electric current ng isang tiyak na polarity, ang isang pagkakaiba sa temperatura ay nabuo sa pagitan ng mga radiator ng Peltier module: ang isang radiator ay gumagana tulad ng isang refrigerator, ang isa pang radiator ay umiinit at nagsisilbing alisin ang init. Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 9 ang hitsura ng isang tipikal na module ng Peltier.

kanin. 9. Hitsura ng Peltier module.

Ang isang karaniwang module ay nagbibigay ng isang makabuluhang pagkakaiba sa temperatura ng ilang sampu-sampung degree. Sa naaangkop na sapilitang paglamig ng heating radiator, ang pangalawang radiator - ang refrigerator - ay nagpapahintulot sa isa na maabot ang mga negatibong temperatura. Upang mapataas ang pagkakaiba ng temperatura, posibleng i-cascade ang switch sa Peltier thermoelectric modules habang tinitiyak ang sapat na paglamig. Nagbibigay-daan ito, sa medyo simpleng paraan, na makakuha ng makabuluhang pagkakaiba sa temperatura at matiyak ang epektibong paglamig ng mga protektadong elemento. Sa Fig. Ang Figure 10 ay nagpapakita ng isang halimbawa ng cascade connection ng standard Peltier modules.

kanin. 10. Halimbawa ng cascade connection ng Peltier modules

Ang mga cooling device batay sa Peltier modules ay madalas na tinatawag na active Peltier refrigerators o simpleng Peltier cooler (Fig. 11). Ang paggamit ng mga module ng Peltier sa mga aktibong cooler ay ginagawang mas mahusay ang mga ito kumpara sa mga karaniwang uri ng mga cooler batay sa mga tradisyonal na radiator at fan. Gayunpaman, sa proseso ng pagdidisenyo at paggamit ng mga cooler na may mga module ng Peltier, kinakailangang isaalang-alang ang isang bilang ng mga partikular na tampok na nagmula sa disenyo ng mga module, ang kanilang prinsipyo sa pagpapatakbo, ang arkitektura ng modernong computer hardware at ang pag-andar ng system at software ng aplikasyon.

kanin. 11. Hitsura ng isang cooler na may isang Peltier module

Ang pangunahing katangian ng isang thermoelectric cooling device ay ang kahusayan sa paglamig nito:

Z = a2 / (r l), (5)

kung saan ang a ay ang thermopower coefficient; r – resistivity; l ay ang thermal conductivity ng semiconductor.

Ang parameter ng Z ay isang function ng konsentrasyon ng temperatura at charge carrier, at para sa bawat ibinigay na temperatura ay mayroong pinakamainam na halaga ng konsentrasyon kung saan ang halaga ng Z ay pinakamataas. Ang pagpapakilala ng ilang mga impurities sa isang semiconductor ay ang pangunahing magagamit na paraan ng pagbabago ng mga parameter nito (a, r, l) sa nais na direksyon. Ang mga modernong thermoelectric cooling device ay nagbibigay ng pagbabawas ng temperatura mula +20°C hanggang 200°C; ang kanilang kapasidad sa paglamig ay karaniwang hindi hihigit sa 100 W.

Ang mga module ng Peltier, na ginagamit bilang mga bahagi para sa paglamig ng mga elektronikong bahagi, ay nailalarawan sa pamamagitan ng medyo mataas na pagiging maaasahan, at, hindi tulad ng mga refrigerator na nilikha gamit ang tradisyonal na teknolohiya, wala silang mga gumagalaw na bahagi. At, tulad ng nabanggit sa itaas, upang madagdagan ang kahusayan ng kanilang operasyon, pinapayagan nila ang paggamit ng cascade, na ginagawang posible na dalhin ang temperatura ng mga pabahay ng mga protektadong elemento ng elektroniko sa mga negatibong halaga, kahit na sa kanilang makabuluhang kapangyarihan sa pagwawaldas. Gayundin, ang module ay nababaligtad, i.e. Kapag ang DC polarity ay nabaligtad, ang mainit at malamig na mga plato ay lumipat ng lugar.

Gayunpaman, bilang karagdagan sa mga halatang pakinabang, ang mga module ng Peltier ay mayroon ding ilang partikular na katangian at katangian na dapat isaalang-alang kapag ginagamit ang mga ito bilang bahagi ng mga coolant. Ang pinakamahalagang katangian ay kinabibilangan ng mga sumusunod na tampok sa pagpapatakbo:

Ang mga module ng Peltier, na gumagawa ng malaking halaga ng init sa panahon ng kanilang operasyon, ay nangangailangan ng pagkakaroon ng naaangkop na mga radiator at fan sa cooler na maaaring epektibong mag-alis ng labis na init mula sa mga cooling module. Ang mga module ng thermoelectric ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang medyo mababang koepisyent ng pagganap (kahusayan) at, na gumaganap ng mga pag-andar ng isang heat pump, sila mismo ay malakas na pinagmumulan ng init. Ang paggamit ng mga module na ito bilang bahagi ng mga paraan ng pagpapalamig para sa mga elektronikong bahagi ng computer ay nagdudulot ng makabuluhang pagtaas sa temperatura sa loob ng unit ng system, na kadalasang nangangailangan ng mga karagdagang hakbang at paraan upang bawasan ang temperatura sa loob ng computer case. Kung hindi man, ang tumaas na temperatura sa loob ng kaso ay lumilikha ng mga paghihirap sa pagpapatakbo hindi lamang para sa mga protektadong elemento at kanilang mga sistema ng paglamig, kundi pati na rin para sa iba pang bahagi ng computer. Gayundin, ang mga module ng Peltier ay medyo malakas na karagdagang pagkarga para sa power supply. Isinasaalang-alang ang kasalukuyang pagkonsumo ng mga module ng Peltier, ang kapangyarihan ng power supply ng computer ay dapat na hindi bababa sa 250 W. Ang lahat ng ito ay humahantong sa advisability ng pagpili ng ATX motherboards at mga kaso na may power supply ng sapat na kapangyarihan. Ang paggamit ng disenyong ito ay ginagawang mas madali para sa mga bahagi ng computer na ayusin ang pinakamainam na kondisyon ng thermal at elektrikal.

Ang Peltier module, sa kaganapan ng pagkabigo nito, ihiwalay ang cooled elemento mula sa cooler radiator. Ito ay humahantong sa isang napakabilis na pagkagambala ng thermal regime ng protektadong elemento at ang mabilis na pagkabigo nito mula sa kasunod na overheating.

Ang mga mababang temperatura na nangyayari sa panahon ng pagpapatakbo ng mga refrigerator ng Peltier na may labis na kapangyarihan ay nakakatulong sa paghalay ng kahalumigmigan mula sa hangin. Nagdudulot ito ng panganib sa mga electronic na bahagi dahil ang condensation ay maaaring magdulot ng mga maikling circuit sa pagitan ng mga bahagi. Upang maalis ang panganib na ito, ipinapayong gumamit ng mga refrigerator ng Peltier na may pinakamainam na kapangyarihan. Kung ang condensation ay nangyayari o hindi ay depende sa ilang mga parameter. Ang pinakamahalaga ay: ambient temperature (sa kasong ito, ang temperatura ng hangin sa loob ng case), ang temperatura ng cooled object at air humidity. Kung mas mainit ang hangin sa loob ng case at mas mataas ang halumigmig, mas malamang na mangyari ang moisture condensation at kasunod na pagkabigo ng mga elektronikong bahagi ng computer.

Bilang karagdagan sa mga tampok na ito, kinakailangang isaalang-alang ang ilang partikular na mga pangyayari na nauugnay sa paggamit ng Peltier thermoelectric modules bilang bahagi ng mga cooler na ginagamit upang palamig ang mga sentral na processor na may mataas na pagganap ng mga makapangyarihang computer.

Ang arkitektura ng mga modernong processor (Larawan 12) at ilang mga programa ng system ay nagbibigay ng mga pagbabago sa paggamit ng kuryente depende sa pagkarga ng mga processor. Ito ay nagpapahintulot sa iyo na i-optimize ang kanilang pagkonsumo ng enerhiya. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang pag-optimize sa pagpapatakbo ng processor at ang pagkonsumo ng kuryente nito ay may kapaki-pakinabang na epekto sa parehong thermal regime ng processor mismo at sa pangkalahatang thermal balance. Gayunpaman, dapat tandaan na ang mga mode na may panaka-nakang pagbabago sa paggamit ng kuryente ay maaaring hindi tugma sa mga paraan ng paglamig para sa mga processor na gumagamit ng mga module ng Peltier. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga umiiral na Peltier refrigerator ay karaniwang idinisenyo para sa tuluy-tuloy na operasyon.

kanin. 12. Processor na may Peltier module

Ang ilang mga problema ay maaari ding lumitaw bilang isang resulta ng pagpapatakbo ng isang bilang ng mga built-in na function, halimbawa, ang mga kumokontrol sa mga cooler na fan. Sa partikular, ang mga mode ng pamamahala ng kapangyarihan ng processor sa ilang mga computer system ay kinabibilangan ng pagpapalit ng bilis ng paglamig ng mga fan sa pamamagitan ng built-in na hardware ng motherboard. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ito ay makabuluhang nagpapabuti sa thermal performance ng processor ng computer. Gayunpaman, sa kaso ng paggamit ng pinakasimpleng Peltier refrigerator, ang pagbaba sa bilis ng pag-ikot ay maaaring humantong sa isang pagkasira sa thermal regime na may nakamamatay na resulta para sa processor dahil sa sobrang pag-init nito ng operating Peltier module, na, bilang karagdagan sa pagganap. ang mga function ng isang heat pump, ay isang malakas na pinagmumulan ng karagdagang init.

Dapat tandaan na, tulad ng sa kaso ng mga computer central processor, ang Peltier refrigerator ay maaaring maging isang magandang alternatibo sa tradisyonal na paraan ng paglamig ng mga video chipset na ginagamit sa mga modernong high-performance na video adapter. Ang pagpapatakbo ng naturang mga video chipset ay sinamahan ng makabuluhang henerasyon ng init at kadalasan ay hindi napapailalim sa mga biglaang pagbabago sa kanilang mga operating mode.

Upang maalis ang mga problema sa mga variable na mode ng pagkonsumo ng kuryente na nagdudulot ng moisture condensation mula sa hangin at posibleng hypothermia, at sa ilang mga kaso kahit na ang sobrang pag-init ng mga protektadong elemento tulad ng mga computer processor, dapat mong iwasan ang paggamit ng mga naturang mode at ilang mga built-in na function. Gayunpaman, bilang alternatibo, maaaring gamitin ang mga cooling system na nagbibigay ng mga matalinong kontrol para sa mga refrigerator ng Peltier. Ang ganitong mga tool ay maaaring makontrol hindi lamang ang pagpapatakbo ng mga tagahanga, ngunit baguhin din ang mga mode ng pagpapatakbo ng mga thermoelectric module na ginamit mismo bilang bahagi ng mga aktibong cooler.

Magsikap tungo sa pagpapabuti ng mga sistema para matiyak ang pinakamainam na mga kondisyon ng temperatura para sa mga elektronikong elemento ay isinasagawa ng maraming mga laboratoryo ng pananaliksik. At ang mga sistema ng paglamig gamit ang Peltier thermoelectric modules ay itinuturing na lubhang promising.

4. Mga lugar ng aplikasyon.

Ang mga pangunahing lugar ng praktikal na paggamit ng epekto ng Peltier sa mga semiconductor: pagkuha ng malamig upang lumikha ng mga thermoelectric cooling device, pag-init para sa mga layunin ng pagpainit, pag-thermostat, pagkontrol sa proseso ng pagkikristal sa ilalim ng pare-pareho ang mga kondisyon ng temperatura. Ang mga Thermoelectric modules (TEMs) ay ginagamit sa mga cooling device para sa mga electronic na bahagi at iba't ibang temperature control device dahil sa kadalian ng precision electronic temperature control para sa parehong heating at cooling.

Ang maximum na kapasidad ng paglamig ng TEM ay nakuha sa isang tiyak na kasalukuyang halaga, na sa isang naibigay na halaga ng supply boltahe ay ipinapakita bilang Imax. Ang non-stationary power supply mode na may kasalukuyang mga pulso nang maraming beses na mas mataas kaysa sa Imax ay magiging posible sa loob ng ilang panahon na makakuha ng kapasidad ng paglamig na mas mataas kaysa sa na-rate. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang epekto ng Peltier mismo ay inertialess, sa kaibahan sa pagpapalaganap ng init ng Joule at ang kababalaghan ng thermal conductivity, at, sa loob ng ilang segundo, maaari itong samantalahin. Gayunpaman, ang mga non-stationary mode ay hindi malawakang ginagamit.

Dahil sa reversibility ng thermoelectric effect, ang mga TEM ay maaari ding gamitin bilang thermoelectric generators (TEGs). Malayo sa mga kaginhawahan ng sibilisasyon, ito ay maaaring isa sa ilang magagamit na mapagkukunan ng elektrikal na enerhiya, halimbawa, para sa muling pagkarga ng mga baterya o direktang pagpapagana ng mga elektronikong kagamitan o iba pang mga aparato. Medyo malawak na ginagamit ang mga aparato kung saan ang isang pagkakaiba sa temperatura ay nilikha sa pagitan ng isang panlabas na shell ng metal, na pinainit ng isang bukas na apoy (apoy), at isang panloob na shell, na pinalamig ng tubig. Ang "malamig" na bahagi ay lilimitahan ng kumukulong punto ng tubig, kaya ang naturang TEM ay dapat na idinisenyo para sa operating temperature na 500 - 600°K. Dapat tandaan na ang balanse ng thermal para sa isang TEG ay husay na naiiba sa isang TEM batay sa epekto ng Peltier, at ang epektong ito (kasama ang init ng Joule) ay gumagawa lamang ng ilang porsyento ng kabuuang kontribusyon, na nangangailangan ng ganap na naiibang diin. kapag nagdidisenyo ng TEG. Ang mga TEG ay malawakang ginagamit sa teknolohiya ng espasyo, kung saan ang temperatura ng "mainit" na bahagi ay pinananatili ng isang mapagkukunan ng radioisotope. Ang mga pacemaker na itinanim sa katawan ng tao ay nilagyan din ng TEG na may pinagmumulan ng radioisotope upang lumikha ng pagkakaiba sa temperatura.

Gayundin, ang mga elemento ng Peltier ay kadalasang ginagamit para sa paglamig at pagkontrol sa temperatura ng mga diode laser upang patatagin ang haba ng daluyong ng radiation. Sa mga device na may mababang cooling power, ang mga elemento ng Peltier ay kadalasang ginagamit bilang pangalawa o pangatlong yugto ng paglamig. Ginagawa nitong posible na makamit ang mga temperatura na 30 - 40 K na mas mababa kaysa sa mga nakasanayang compression cooler.

Konklusyon

Ang epekto ng Peltier ay natuklasan ng Pranses na si Jean-Charles Peltier noong 1834. Sa isa sa kanyang mga eksperimento, nagpasa siya ng isang electric current sa pamamagitan ng isang strip ng bismuth na may mga copper conductor na konektado dito. Sa panahon ng eksperimento, natuklasan ko na ang isang bismuth-copper compound ay uminit, ang isa naman ay lumalamig. Si Peltier mismo ay hindi lubos na nauunawaan ang kakanyahan ng kababalaghan na natuklasan niya. Ang tunay na kahulugan ng phenomenon ay kalaunan ay ipinaliwanag ni Lenz noong 1838. Sa kanyang eksperimento, nag-eksperimento si Lenz sa isang patak ng tubig na inilagay sa junction ng dalawang konduktor (bismuth at antimony). Kapag ang isang agos ay dumaan sa isang direksyon, ang isang patak ng tubig ay nagyelo, at kapag ang direksyon ng agos ay nagbago, ito ay natunaw. Kaya, ito ay itinatag na kapag ang kasalukuyang pumasa sa pamamagitan ng contact ng dalawang konduktor, ang init ay inilabas sa isang direksyon at hinihigop sa isa pa. Ang kababalaghang ito ay tinawag na Peltier effect.

Ang klasikal na teorya ay nagpapaliwanag sa Peltier phenomenon sa pamamagitan ng katotohanan na kapag ang mga electron ay inilipat sa pamamagitan ng kasalukuyang mula sa isang metal patungo sa isa pa, sila ay pinabilis o pinabagal ng panloob na pagkakaiba sa potensyal ng pakikipag-ugnay sa pagitan ng mga metal. Kapag pinabilis, ang kinetic energy ng mga electron ay tumataas at pagkatapos ay inilabas bilang init. Sa kabaligtaran ng kaso, ang kinetic energy ay bumababa, at ang enerhiya ay napunan dahil sa enerhiya ng mga thermal vibrations ng mga atomo ng pangalawang konduktor, kaya nagsisimula itong lumamig. Ang isang mas kumpletong pagsasaalang-alang ay isinasaalang-alang ang pagbabago sa hindi lamang potensyal, kundi pati na rin ang kabuuang enerhiya.

Batay sa epekto ng Peltier, nilikha ang mga module ng Peltier (mga elemento). Binubuo ang mga ito ng isa o higit pang mga pares ng maliliit na semiconductor parallelepiped, na konektado sa mga pares gamit ang mga jumper ng metal. Ang mga jumper ng metal ay sabay-sabay na nagsisilbing mga thermal contact at insulated ng isang non-conductive film o ceramic plate. Ang mga pares ng parallelepipeds ay konektado sa paraang ang isang serye na koneksyon ng maraming mga pares ng semiconductors na may iba't ibang uri ng kondaktibiti ay nabuo, upang sa tuktok mayroong isang pagkakasunud-sunod ng mga koneksyon (n-> p), at sa ibabang kabaligtaran ( p-> n). Ang electric current ay dumadaloy nang sunud-sunod sa lahat ng parallelepiped. Depende sa direksyon ng kasalukuyang, ang mga itaas na contact ay pinalamig at ang mga mas mababang mga ay pinainit - o kabaligtaran. Kaya, ang electric current ay naglilipat ng init mula sa isang bahagi ng elemento ng Peltier patungo sa kabaligtaran at lumilikha ng pagkakaiba sa temperatura.

Ang mga elemento ng Multistage Peltier ay ginagamit upang palamig ang mga receiver ng radiation sa mga infrared sensor. Kasalukuyang isinasagawa ang mga eksperimento upang i-embed ang mga maliliit na module ng Peltier nang direkta sa mga chip ng processor upang palamig ang kanilang mga pinaka-kritikal na istruktura. Ang solusyon na ito ay nagtataguyod ng mas mahusay na paglamig sa pamamagitan ng pagbabawas ng thermal resistance at maaaring makabuluhang taasan ang operating frequency at performance ng mga processor. Kaya, ang pagtuklas ng Peltier effect ay nagkaroon ng malaking impluwensya sa kasunod na pag-unlad ng physics, at kasunod na iba't ibang larangan ng teknolohiya.

Bibliograpiya

1. Pisikal na ensiklopedya. – M.: Great Russian Encyclopedia, 1998. – T.5. – P. 98 – 99, 125.

2. Landau L.D., Lifshits E.M. Teoretikal na pisika: Teksbuk. manual: Para sa mga unibersidad. Sa 10. tomo T. VIII. Electrodynamics ng tuluy-tuloy na media. – Ika-4 na ed., stereot. – M.: Fizmatlit, 2003. – 656 p.

3. Maripov A. Pisikal na pundasyon ng electronics. – B.: Polygraphbumresursy, 2010. – 252 p.

4. Sivukhin S.D. Pangkalahatang kurso sa pisika. – M.: Nauka, 1977. – T.3. Kuryente. – P. 490 – 494.

5. Stilbans L.S. Physics ng semiconductor. – M.: Sov. radyo, 1967. – P.75 – 83, 292 – 311.

6. Narkevich, I. I. Physics para sa mga teknikal na kolehiyo / I. I. Narkevich, E. I. Volmyansky, S. I. Lobko. - Minsk: Bagong kaalaman, 2004. – 680 p.

7.Ioff. A.F. Semiconductor thermoelements – M.; L.: Publishing House ng USSR Academy of Sciences, 1960. – p.188

Ang paglabas o pagsipsip (depende sa direksyon ng agos) ng init sa pagdikit ng dalawang magkaibang semiconductors o isang metal at isang semiconductor

Animasyon

Paglalarawan

Ang Peltier effect ay isang thermoelectric phenomenon, ang kabaligtaran ng Seebeck effect: kapag ang isang electric current I ay dumaan sa isang contact (junction) ng dalawang magkaibang substance (conductors o semiconductors) sa contact, bilang karagdagan sa Joule heat, karagdagang Peltier heat Ang Q P ay inilabas sa isang direksyon ng kasalukuyang at hinihigop sa kabaligtaran na direksyon.

Ang dami ng init na nabuo sa Q P at ang tanda nito ay nakasalalay sa uri ng pakikipag-ugnay sa mga sangkap, ang lakas ng kasalukuyang at ang oras ng pagpasa nito:

dQ P = p 12 H I H dt.

Dito ang p 12 = p 1 -p 2 ay ang Peltier coefficient para sa isang ibinigay na contact, na nauugnay sa ganap na Peltier coefficients p 1 at p 2 ng mga contacting material. Sa kasong ito, ipinapalagay na ang kasalukuyang dumadaloy mula sa unang sample hanggang sa pangalawa. Kapag ang Peltier heat ay pinakawalan, mayroon tayong: Q P >0, p 12 >0, p 1 > p 2 . Kapag ang init ng Peltier ay nasisipsip, ito ay itinuturing na negatibo at, nang naaayon: Q P<0,p 12 <0, p 1

q P = p 12 H j,

kung saan j=I/S - kasalukuyang density;

S - lugar ng contact;

ang dimensyon ng dami na ito ay SI = W/m2.

Mula sa mga batas ng thermodynamics sumusunod na ang Peltier coefficient at ang thermopower coefficient a ay nauugnay sa pamamagitan ng ugnayan:

p = aЧ T,

kung saan ang T ay ang absolute contact temperature.

Ang koepisyent ng Peltier, na isang mahalagang teknikal na katangian ng mga materyales, ay, bilang panuntunan, ay hindi sinusukat, ngunit kinakalkula gamit ang koepisyent ng thermopower, ang pagsukat kung saan ay mas simple.

Sa Fig. 1 at fig. Ipinapakita ng Figure 2 ang isang closed circuit na binubuo ng dalawang magkaibang semiconductors PP1 at PP2 na may mga contact A at B.

Peltier heat release (pin A)

kanin. 1

Peltier heat absorption (pin A)

kanin. 2

Ang ganitong circuit ay karaniwang tinatawag na thermoelement, at ang mga sanga nito ay tinatawag na thermoelectrodes. Ang isang kasalukuyang nilikha ko ng isang panlabas na mapagkukunan ay dumadaloy sa circuit. kanin. Ang 1 ay naglalarawan ng sitwasyon kapag sa contact A (kasalukuyang dumadaloy mula PP1 hanggang PP2) ang peltier heat ay pinakawalan Q P (A)>0, at sa contact B (current ay nakadirekta mula PP2 hanggang PP1) ang pagsipsip nito ay Q P (B)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >T V .

Sa Fig. 2, ang pagbabago ng tanda ng pinagmulan ay nagbabago ng direksyon ng kasalukuyang sa kabaligtaran: mula PP2 hanggang PP1 sa contact A at mula PP1 hanggang PP2 sa contact B. Alinsunod dito, ang tanda ng init ng Peltier at ang relasyon sa pagitan ng mga temperatura ng contact ay nagbabago: Q P (A)<0, Q P (В)>0, T A<Т В .

Ang dahilan para sa paglitaw ng epekto ng Peltier sa pakikipag-ugnay ng mga semiconductor na may parehong uri ng kasalukuyang mga carrier (dalawang n-type semiconductors o dalawang p-type semiconductors) ay pareho sa kaso ng pakikipag-ugnay ng dalawang metal conductor. Ang mga kasalukuyang carrier (mga electron o butas) sa iba't ibang panig ng junction ay may iba't ibang average na enerhiya, na nakasalalay sa maraming mga kadahilanan: spectrum ng enerhiya, konsentrasyon, mekanismo ng pagkalat ng carrier ng singil. Kung ang mga carrier, na dumaan sa kantong, ay pumasok sa isang lugar na may mas mababang enerhiya, inililipat nila ang labis na enerhiya sa kristal na sala-sala, bilang isang resulta kung saan ang init ng Peltier ay pinakawalan malapit sa contact (Q P > 0) at ang temperatura ng contact ay tumataas. Sa kasong ito, sa kabilang junction, ang mga carrier, na lumilipat sa isang rehiyon na may mas mataas na enerhiya, hinihiram ang nawawalang enerhiya mula sa sala-sala, at ang init ng Peltier ay sinisipsip (Q P<0 ) и понижение температуры.

Ang Peltier effect, tulad ng lahat ng thermoelectric phenomena, ay lalo na binibigkas sa mga circuit na binubuo ng electronic (n - type) at hole (p - type) semiconductors. Sa kasong ito, ang epekto ng Peltier ay may ibang paliwanag. Isaalang-alang natin ang sitwasyon kapag ang kasalukuyang nasa contact ay napupunta mula sa isang hole semiconductor patungo sa isang electronic (р ® n). Sa kasong ito, ang mga electron at butas ay gumagalaw patungo sa isa't isa at, kapag nakilala, muling pinagsama. Bilang resulta ng recombination, ang enerhiya ay inilabas, na inilabas sa anyo ng init. Ang sitwasyong ito ay ipinapakita sa Fig. 3, na nagpapakita ng mga energy band (e c - conduction band, e v - valence band) para sa impurity semiconductors na may butas at electronic conductivity.

Paglabas ng init ng Peltier sa contact ng p- at n-type na semiconductors

kanin. 3

Sa Fig. 4 (e c - conduction band, e v - valence band) ay naglalarawan ng Peltier heat absorption para sa kaso kapag ang kasalukuyang napupunta mula sa n hanggang p - semiconductor (n ® p).

Peltier heat absorption sa contact ng p- at n-type semiconductors

kanin. 4

Upang maging kapansin-pansin ang epekto ng Peltier laban sa background ng pangkalahatang pag-init na nauugnay sa paglabas ng init ng Joule-Lenz, ang sumusunod na kondisyon ay dapat matugunan: S Q P Si Q J . . Bilang resulta, ang mga sumusunod na relasyon ay nakuha na dapat isaalang-alang kapag nagsasagawa ng mga eksperimento:

kung saan ang R ay ang paglaban ng seksyon ng thermoelectrode ng haba l kung saan inilabas ang init;

r - de-koryenteng resistivity.

Ang koepisyent ng Peltier, na tumutukoy sa dami ng init ng Peltier na inilabas sa kontak, ay nakasalalay sa likas na katangian ng mga sangkap na nakikipag-ugnay at ang temperatura ng pagkontak: p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T , kung saan ang isang 1 at ang a 2 ay ang ganap na thermopower coefficient ng mga contact substance. Kung para sa karamihan ng mga pares ng mga metal ang thermopower coefficient ay nasa pagkakasunud-sunod ng 10-5 x 10-4 V/K, kung gayon para sa mga semiconductors maaari itong maging mas mataas (hanggang sa 1.5 x 10-3 V/K). Para sa mga semiconductors na may iba't ibang uri ng conductivity, ang a ay may iba't ibang mga palatandaan, bilang isang resulta kung saan ang Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.

Dapat pansinin na ang koepisyent ng thermopower ay nakasalalay sa isang kumplikadong paraan sa komposisyon at temperatura ng semiconductor, habang, kumpara sa mga metal, ang pag-asa sa temperatura ng isang para sa mga semiconductor ay mas malinaw. Ang tanda ng a ay tinutukoy ng tanda ng mga tagadala ng singil. Walang mga pangkalahatang empirikal, mas hindi gaanong teoretikal, na mga formula na sumasaklaw sa mga thermoelectric na katangian ng semiconductors sa isang malawak na hanay ng temperatura. Karaniwan, ang thermoelectromotive force a ng isang semiconductor, simula sa halaga a = 0 sa T = 0, ay tumataas muna sa proporsyon sa T, pagkatapos ay mas mabagal, madalas na nananatiling pare-pareho sa isang tiyak na saklaw ng temperatura, at sa rehiyon ng mataas na temperatura ( higit sa 500 Kyo 700 K) ay nagsisimulang bumaba ayon sa batas a~ 1/T.

Ang isa pang natatanging tampok ng semiconductors ay ang mapagpasyang papel ng mga impurities, ang pagpapakilala nito ay ginagawang posible hindi lamang upang baguhin ang halaga ng maraming beses, ngunit din upang baguhin ang tanda ng a.

Sa mga semiconductor na may halo-halong kondaktibiti, ang mga kontribusyon sa thermopower ng mga butas at electron ay kabaligtaran, na humahantong sa maliliit na halaga ng a at p.

Sa partikular na kaso kapag ang mga konsentrasyon (n) at kadaliang kumilos (u) ng mga electron at butas ay pantay (ne = np at ue = pataas), ang mga halaga ng a at p ay nagiging zero:

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

Ang Peltier effect, tulad ng iba pang thermoelectric phenomena, ay phenomenological sa kalikasan.

Ang epekto ng Peltier sa mga semiconductor ay ginagamit para sa thermoelectric na paglamig at pag-init, na may mga praktikal na aplikasyon sa pagkontrol ng temperatura at mga aparato sa pagpapalamig.

Ang Peltier phenomenon ay natuklasan ni J. Peltier noong 1834.

Mga katangian ng timing

Oras ng pagsisimula (mag-log sa -3 hanggang 2);

Panghabambuhay (mag-log tc mula 15 hanggang 15);

Oras ng pagkasira (log td mula -3 hanggang 2);

Oras ng pinakamainam na pag-unlad (mag-log tk mula -2 hanggang 3).

Diagram:

Teknikal na pagpapatupad ng epekto

Teknikal na pagpapatupad ng epekto ng Peltier sa mga semiconductor

Ang pangunahing teknolohikal na yunit ng lahat ng thermoelectric cooling device ay isang thermoelectric na baterya na binubuo ng mga series-connected thermoelement. Dahil ang mga metal conductor ay may mahinang thermoelectric properties, ang mga thermoelement ay ginawa mula sa semiconductors, at ang isa sa mga sangay ng thermoelement ay dapat na binubuo ng isang purong butas (p-type), at ang isa pa ay isang purong electronic (n-type) na semiconductor. Kung pipiliin mo ang kasalukuyang direksyon (Larawan 5), kung saan ang init ng Peltier ay masisipsip sa mga contact na matatagpuan sa loob ng refrigerator, at ilalabas sa nakapalibot na espasyo sa mga panlabas na contact, pagkatapos ay bababa ang temperatura sa loob ng refrigerator, at ang espasyo sa labas ng refrigerator ay mag-iinit (na nangyayari sa anumang disenyo ng refrigerator).

Schematic diagram ng isang thermoelectric refrigerator

kanin. 5

Ang pangunahing katangian ng isang thermoelectric cooling device ay ang kahusayan sa paglamig nito:

Z= a 2 /(rl) ,

kung saan ang a ay ang thermopower coefficient;

r - resistivity;

l ay ang thermal conductivity ng semiconductor.

Ang parameter ng Z ay isang function ng konsentrasyon ng temperatura at charge carrier, at para sa bawat ibinigay na temperatura ay mayroong pinakamainam na halaga ng konsentrasyon kung saan ang halaga ng Z ay pinakamataas. Ang pinakamataas na pagbabawas ng temperatura ay nauugnay sa halaga ng kahusayan sa pamamagitan ng expression:

D T max = (1/2) Х Z Х T 2,

kung saan ang T ay ang temperatura ng malamig na junction ng thermoelement.

Kung mas malaki ang halaga ng Z para sa mga indibidwal na sangay, mas malaki ang halaga ng Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2, na tumutukoy sa kahusayan. ang buong thermoelement. Maipapayo na pumili ng mga semiconductor na may pinakamataas na halaga ng kadaliang kumilos at pinakamababang thermal conductivity. Ang pagpapakilala ng ilang mga impurities sa isang semiconductor ay ang pangunahing magagamit na paraan ng pagbabago ng mga parameter nito (a, r, l) sa nais na direksyon.

Ang mga modernong thermoelectric cooling device ay nagbibigay ng pagbabawas ng temperatura mula +20°C hanggang 200°C; ang kanilang kapasidad sa paglamig ay karaniwang hindi hihigit sa 100 W.

Sa teknolohiya, ang mga rod na gawa sa mga semiconductor na materyales na may p- at n-conductivity (1) ay inilalagay sa mga heat-conducting board na gawa sa insulating material (2) gamit ang mga metal connector (3) tulad ng ipinapakita sa Fig. 6.

Thermoelectric module diagram

kanin. 6

Paglalapat ng epekto

Ang pamamaraan ng paglamig ng thermoelectric ay may ilang mga pakinabang sa iba pang mga pamamaraan ng paglamig. Ang mga thermoelectric na aparato ay nakikilala sa pamamagitan ng kadalian ng kontrol, ang kakayahang maayos na ayusin ang temperatura, kawalan ng ingay, at mataas na pagiging maaasahan ng pagpapatakbo. Ang pangunahing kawalan ng mga thermoelectric na aparato ay ang kanilang mababang kahusayan, na hindi nagpapahintulot sa kanila na magamit para sa pang-industriya na produksyon ng "malamig".

Ang mga thermoelectric cooling device ay ginagamit sa mga refrigerator ng sambahayan at transportasyon, mga thermostat, para sa paglamig at thermostat na mga thermosensitive na elemento ng radio-electronic at optical na kagamitan, para sa pagkontrol sa proseso ng crystallization, sa mga medikal at biological na aparato, atbp.

Sa teknolohiya ng computer, ang mga thermoelectric cooling device ay may slang na pangalan na "coolers" (mula sa English na cooler - cooler).

Panitikan

1. Physical encyclopedia.- M.: Great Russian Encyclopedia, 1998.- T.5.- P.98-99, 125.

2. Sivukhin S.D. Pangkalahatang kurso ng pisika - M.: Nauka, 1977. - T.3. Kuryente.- P.490-494.

3. Stilbans L.S. Physics ng semiconductors. - M., 1967. - P.75-83, 292-311.

4. Ioffe A.F. Mga thermoelement ng semiconductor. - M., 1960.

Mga keyword

Ang teksto ng trabaho ay nai-post nang walang mga larawan at mga formula.
Ang buong bersyon ng trabaho ay available sa tab na "Mga Work File" sa format na PDF

Panimula

Ang epekto ng Seebeck ay ang kababalaghan ng paglitaw ng EMF sa isang saradong de-koryenteng circuit na binubuo ng mga magkakaibang konduktor na konektado sa serye, ang mga contact sa pagitan ng kung saan ay nasa iba't ibang mga temperatura.

Pareho sa mga epektong ito ay natuklasan noong ika-19 na siglo: J. Peltier noong 1834, ang kakanyahan ng kababalaghan ay ginalugad makalipas ang ilang taon - noong 1838 ni Lenz, na nagsagawa ng isang eksperimento kung saan naglagay siya ng isang patak ng tubig sa isang recess sa ang junction ng dalawang rod ng bismuth at antimony. Natuklasan ni T. I. Seebeck ang epekto ng parehong pangalan noong 1821. Noong 1822, inilathala niya ang mga resulta ng kanyang mga eksperimento sa artikulong "Sa tanong ng magnetic polarization ng ilang mga metal at ores na nagmumula sa ilalim ng mga kondisyon ng mga pagkakaiba sa temperatura," na inilathala sa mga ulat. ng Prussian Academy of Sciences

Interesado ako sa paksang ito dahil ang mga elementong naimbento noong ika-19 na siglo ay epektibo pa ring ginagamit sa mga modernong kagamitan. Sa kabila ng katotohanan na sa bawat partikular na kaso ang isang elemento na may kinakailangang mga parameter ay napili, ang teorya at mga mapagkukunan ay nagpapahiwatig na ang mga elemento ay mapagpapalit. Totoo man ito o hindi, plano naming suriin ang aming pag-aaral.

Pagbubuo ng problema:

Ang parehong mga epekto (ang Peltier effect at ang Seebeck effect) ay malawakang ginagamit sa modernong teknolohiya, at ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga elementong nilikha batay sa kanilang batayan ay mauunawaan bilang bahagi ng isang kurso sa pisika ng paaralan. Samantala, ang mga epektong ito ay hindi binanggit sa kursong pisika ng paaralan. Ang gawaing ito, bilang karagdagan sa inilapat na kahalagahan nito, ay mayroon ding mahalagang metodolohikal na aspeto na nauugnay sa pagsasama ng isang paglalarawan ng iba't ibang mga nakamit na pang-agham sa kurso ng paaralan.

Ipotesis ng pananaliksik: May mga pagkakaiba kapag gumagamit ng direkta at kabaligtaran na mga epekto ng Peltier at Seebeck.

Layunin ng pag-aaral: pagtukoy sa mga natatanging tampok ng Peltier effect at ng Seebeck effect kapag ginamit sa pasulong at pabalik na direksyon.

Layunin ng pananaliksik:

Pag-aralan ang kasaysayan ng pagtuklas ng epekto ng Peltier at epekto ng Seebeck.

Upang pag-aralan ang mga tampok ng direkta at kabaligtaran na epekto ng Peltier, ang direkta at kabaligtaran na epekto ng Seebeck.

Gumawa ng setup para sa pagsasagawa ng eksperimento.

Magsagawa ng serye ng mga eksperimento upang subukan ang hypothesis.

Suriin ang mga resulta ng eksperimento at gumawa ng isang konklusyon kung ang hypothesis ay nakumpirma o hindi.

Layunin ng pag-aaral: Peltier element at Seebeck element.

Paksa ng pag-aaral: mga tampok ng direkta at kabaligtaran na epekto ng epekto ng Peltier at ang direkta at kabaligtaran na epekto ng Seebeck.

Mga pamamaraan ng pananaliksik

Ang mga sumusunod na pamamaraan ay ginamit sa pag-aaral:

1. Teoretikal:

Pagsusuri ng mga mapagkukunan ng impormasyon sa kasaysayan ng pagtuklas ng mga epekto ng Peltier at Seebeck na isinasaalang-alang sa trabaho,

Pagsusuri ng impormasyon tungkol sa prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga elemento ng Peltier at Seebeck,

Pagsusuri ng nakuhang pang-eksperimentong datos.

Hindi kumpletong induction: pagbabalangkas ng isang konklusyon batay sa data na hindi sumasaklaw sa lahat ng aspeto at posibleng kumbinasyon ng mga katangian ng mga bagay na pinag-aaralan.

2. Empirical:

Pagsasagawa ng isang serye ng mga eksperimento upang subukan ang isang hypothesis.

Inilapat ang pananaliksik na ito. Ang mga resulta ng pag-aaral ay magbibigay ng sagot tungkol sa pagiging epektibo ng pagpapalitan ng mga elemento ng Peltier at Seebeck.

Pagsusuri ng pinagmulan

Kapag inilalarawan ang mga epektong pinag-aaralan, binanggit ng lahat ng pinagmumulan na mayroong "Peltier effect at ang kabaligtaran na epekto nito, ang tinatawag na Seebeck effect," habang ang inverse Seebeck effect ay hindi binanggit. Sa gawaing ito, bilang karagdagan sa pagtuklas ng direkta at kabaligtaran na mga epekto ng Peltier at paghahambing ng kabaligtaran na epekto ng Peltier sa direktang epekto ng Seebeck, susuriin natin ang pagkakaroon ng kabaligtaran na epekto ng Seebeck.

Ang kaugnayan ng isyung pinag-aaralan ay ipinahihiwatig ng atensyon na binabayaran ng mga dayuhang aklat-aralin sa pag-aaral ng mga epektong ito. Nagbibigay sila hindi lamang ng isang paglalarawan ng mga epekto na isinasaalang-alang, ngunit din ng isang paliwanag sa kanila, at pinag-uusapan din ang tungkol sa kanilang aplikasyon.

Ang website ng tagagawa ng Russian ng kagamitang pang-edukasyon, 3B Scientific LLC, ay nag-aalok ng pag-install ng laboratoryo na "Seebeck Effect" na nagkakahalaga ng RUB 229,873.00. , kung saan nakalakip ang isang metodolohikal na pag-unlad. Matapos pag-aralan ito, dumating kami sa konklusyon na ang gayong eksperimento ay maaaring isagawa sa mga kagamitan na hindi nangangailangan ng ganoong mataas na gastos.

Pangunahing bahagi Pelte effect

Ang Peltier effect ay isang thermoelectric phenomenon ng paglipat ng enerhiya sa panahon ng pagpasa ng electric current sa punto ng contact (junction) ng dalawang hindi magkatulad na conductor, mula sa isang conductor patungo sa isa pa. Ito rin ang kabaligtaran na epekto ng Seebeck effect, ngunit maaari ring gawin ang mga function nito.

Kapag ang isang panig ay pinainit at ang kabilang panig ay pinalamig, ang elementong ito ay maaaring makagawa ng kuryente. At gayundin ang elementong ito ay may kabaligtaran na epekto, iyon ay, kapag ang elementong ito ay konektado sa kuryente, ang isang panig ay lalamig at ang isa ay magpapainit.

Ang dahilan para sa Peltier phenomenon ay ang mga sumusunod. Sa pakikipag-ugnay ng dalawang sangkap mayroong isang potensyal na pagkakaiba sa pakikipag-ugnay, na lumilikha ng isang panloob na larangan ng pakikipag-ugnay. Kung ang isang electric current ay dumadaloy sa isang contact, ang field na ito ay maaaring mapadali ang pagpasa ng kasalukuyang o hadlangan ito. Kung ang kasalukuyang dumadaloy laban sa field ng contact, kung gayon ang panlabas na mapagkukunan ay dapat gumastos ng karagdagang enerhiya, na inilabas sa contact, na hahantong sa pag-init nito. Kung ang kasalukuyang dumadaloy sa direksyon ng field ng contact, maaari itong suportahan ng field na ito, na gumagawa ng gawain ng paglipat ng mga singil. Ang enerhiya na kinakailangan para dito ay kinuha mula sa sangkap, na humahantong sa paglamig nito sa punto ng pakikipag-ugnay.

Seebeck effect

Kung mayroong gradient ng temperatura sa kahabaan ng konduktor, kung gayon ang mga electron sa mainit na dulo ay nakakakuha ng mas mataas na enerhiya at bilis kaysa sa malamig na dulo; sa semiconductors, bilang karagdagan dito, ang konsentrasyon ng mga electron ng pagpapadaloy ay tumataas sa temperatura. Ang resulta ay isang daloy ng mga electron mula sa mainit na dulo hanggang sa malamig na dulo. Ang isang negatibong singil ay naipon sa malamig na dulo, at isang hindi nabayarang positibong singil ay nananatili sa mainit na dulo. Ang proseso ng akumulasyon ng singil ay nagpapatuloy hanggang ang nagresultang potensyal na pagkakaiba ay nagdudulot ng daloy ng mga electron sa kabaligtaran na direksyon, katumbas ng pangunahin, dahil sa kung saan naitatag ang ekwilibriyo.

Ang emf, ang paglitaw nito ay inilarawan ng mekanismong ito, ay tinatawag na volumetric emf.

Mga tampok ng mga elemento ng Peltier at Seebeck

Ang pangunahing tampok ng mga elementong ito ay ang elemento ng Peltier ay may kabaligtaran na epekto, ngunit ang elemento ng Seebeck ay wala. At ito sa kabila ng katotohanan na ang kabaligtaran na epekto ng elemento ng Peltier ay ang epekto ng elemento ng Seebeck.

Bilang resulta, ang epekto ng Seebeck ay naging malawakang ginagamit sa iba't ibang larangan.

Ang elemento ng Peltier ay ang eksaktong kabaligtaran ng mga device batay sa Seebeck effect. Sa kasong ito, sa kabaligtaran, sa ilalim ng impluwensya ng electric current isang pagkakaiba sa temperatura ay nabuo sa mga nagtatrabaho na site ng istraktura. Kaya, sa tulong ng electric current, ang init ay inililipat mula sa isang thermocouple patungo sa isa pa. Kapag ang direksyon ng kasalukuyang pagbabago, ang pinainit na bahagi ay kukuha ng kabaligtaran na estado.

Ang epektong ito ay nangyayari sa dalawang magkaibang conductor na may parehong conductivity. Sa bawat isa sa kanila, ang mga electron ay may iba't ibang halaga ng enerhiya at sila ay matatagpuan sa isang napakalapit na distansya mula sa bawat isa. Bilang resulta, ang mga singil ay ililipat mula sa isang daluyan patungo sa isa pa, at ang mga electron na may mas mataas na enerhiya laban sa background ng mababang antas ay magbibigay ng labis sa kristal na sala-sala, na nagiging sanhi ng pag-init. Kung may kakulangan ng enerhiya, sa kabaligtaran, ito ay inilipat mula sa kristal na sala-sala, na humahantong sa paglamig ng kantong.

Application ng Peltier effect at Seebeck effect

Ang mga epektong pinag-aaralan ay ginagamit upang lumikha ng mga thermal sensor, thermoelectric generator, at ginagamit din sa mga computer upang mapabuti ang paglamig ng processor.

Sa kasalukuyan, ang epekto ng Seebeck ay inilalapat sa pinagsamang mga sensor, kung saan ang mga kaukulang pares ng mga materyales ay idineposito sa ibabaw ng mga substrate ng semiconductor. Ang isang halimbawa ng naturang mga sensor ay isang thermocouple para sa pag-detect ng thermal radiation. Dahil ang silicon ay may medyo malaking koepisyent ng Seebeck, ang mga napakasensitibong thermoelectric detector ay ginawa batay dito.

Ang isa sa mga makabuluhang limitasyon na lumitaw kapag gumagamit ng isang thermoelectric converter ay ang mababang koepisyent ng kahusayan - 3-8%. Ngunit kung hindi posible na mag-install ng mga karaniwang linya ng kuryente, at ang pagkarga sa network ay inaasahang maliit, kung gayon ang paggamit ng mga thermoelectric generator ay ganap na makatwiran. Sa katunayan, ang mga device na gumagana sa Seebeck effect ay maaaring gamitin sa iba't ibang larangan:

1. Supply ng enerhiya para sa teknolohiya sa espasyo;

2. Power supply para sa gas at oil equipment;

3. Mga generator ng sambahayan;

4. Marine navigation system;

5. Mga sistema ng pag-init;

6. Operasyon ng basurang init ng sasakyan;

7. Solar energy converter;

8. Mga converter ng init na nalilikha ng mga likas na pinagmumulan (halimbawa, mga geothermal na tubig).

Ang epekto ng Peltier ay ginagamit sa dalawang sitwasyon: kapag kinakailangan na magbigay ng init sa junction ng mga materyales, o alisin ito, na ginagawa sa pamamagitan ng pagbabago ng direksyon ng kasalukuyang. Nahanap ng property na ito ang application nito sa mga device kung saan kinakailangan ang tumpak na kontrol sa temperatura. Ang mga elemento ng Peltier ay ginagamit sa mga sitwasyon kung saan kinakailangan ang paglamig na may maliit na pagkakaiba sa temperatura, o ang kahusayan ng enerhiya ng palamigan ay hindi mahalaga. Halimbawa, ang mga elemento ng Peltier ay ginagamit sa mga maliliit na refrigerator ng kotse, dahil ang paggamit ng isang compressor sa kasong ito ay imposible dahil sa limitadong mga sukat at, bilang karagdagan, ang kinakailangang lakas ng paglamig ay maliit.

Bilang karagdagan, ang mga elemento ng Peltier ay ginagamit upang palamig ang mga device na may charge-coupled sa mga digital camera. Dahil dito, nakakamit ang isang kapansin-pansing pagbawas sa thermal noise sa mahabang exposure (halimbawa sa astrophotography). Ang mga elemento ng Multistage Peltier ay ginagamit upang palamig ang mga receiver ng radiation sa mga infrared sensor.

Madalas ding ginagamit ang mga elemento ng Peltier:

1. Para sa paglamig at temperatura control ng diode lasers upang patatagin ang radiation wavelength;

2. Sa teknolohiya ng kompyuter;

3. Sa mga aparatong radioelectric;

4. Sa kagamitang medikal at parmasyutiko;

5. Sa mga gamit sa bahay;

6. Sa mga kagamitan sa pagkontrol sa klima;

7. Sa mga thermostat;

8. Sa optical equipment;

9. Upang kontrolin ang proseso ng pagkikristal;

10. Bilang preheating para sa mga layunin ng pagpainit;

11. Para sa mga pampalamig na inumin;

12. Sa laboratoryo at siyentipikong mga instrumento;

13. Sa mga gumagawa ng yelo;

14. Sa mga air conditioner;

15. Upang makabuo ng kuryente;

16. Sa electronic water flow meter.

Siyempre, ang Peltier cooling device ay halos hindi angkop para sa mass use. Ang mga ito ay medyo mahal at nangangailangan ng wastong operasyon. Ngayon ito ay isang tool para sa mga overclocker ng processor. Gayunpaman, kung kinakailangan na palamig nang husto ang mga processor, ang mga Peltier cooler ang pinakamabisang device.

Nagkaroon ng mga ulat ng mga eksperimento sa pag-embed ng mga maliliit na module ng Peltier nang direkta sa mga chip ng processor upang palamig ang kanilang mga pinaka-kritikal na istruktura. Ang solusyon na ito ay nagtataguyod ng mas mahusay na paglamig sa pamamagitan ng pagbabawas ng thermal resistance at maaaring makabuluhang taasan ang operating frequency at performance ng mga processor.

Paglalarawan ng pang-eksperimentong setup

Upang maisagawa ang eksperimento, gumawa ng setup para makuha ang kinakailangang data.

Upang mabawasan ang pagpapalitan ng init sa kapaligiran, kinakailangan na lumikha ng isang termostat. Sa pang-eksperimentong pag-install, ito ay nakamit sa tulong ng mga thermal insulation na materyales na ginamit sa panahon ng konstruksiyon, kung saan ang dalawang paliguan ay nilikha, na pinaghiwalay sa isang kaso ng mga elemento ng Peltier, sa kabilang kaso ng isang elemento ng Seebeck. Ang mga kahon ng juice na hindi tinatablan ng tubig ay ginamit bilang paliguan. Ang waterproofing ng mga elemento ay nakamit gamit ang isang glue gun.

Upang magsagawa ng eksperimento, pinili ang mga elemento ng Peltier at Seebeck na may katulad na mga katangian: operating boltahe at kapangyarihan.

Ang mga multimeter ay ginamit bilang mga instrumento sa pagsukat para sa pagtatala ng temperatura.

Ang halaga ng boltahe ay kinuha din gamit ang isang multimeter o voltmeter.

Eksperimental na pamamaraan

Depende sa elementong pinag-aaralan, alinman sa tubig na may iba't ibang temperatura ay ibinuhos sa iba't ibang seksyon ng mga paliguan (direktang Seebeck effect at inverse Peltier effect), o tubig na may parehong temperatura upang makita ang direktang Peltier effect at inverse Seebeck effect).

Ang mga pagbabasa ng sensor ng temperatura ay inilagay sa isang talahanayan (Appendix 1), batay sa kung aling mga graph ng boltahe laban sa temperatura ang ginawa.

Ang bawat eksperimento ay isinasagawa sa loob ng 7 - 10 minuto.

Mga resulta ng eksperimento

Batay sa data na nakuha sa apat na eksperimento, ang mga graph ay ginawa

Sa panahon ng eksperimento, ang direktang epekto ng Seebeck at ang kabaligtaran na epekto ng Peltier ay sinusunod para sa mga kaukulang elemento, ang mga halaga ng boltahe kung saan ay halos pareho. Tulad ng makikita mula sa graph, ang pagtitiwala ng boltahe sa elemento sa pagkakaiba sa mga temperatura sa ibabaw ay magkatulad. Ang pagkakaiba sa kahulugan ay dahil sa pagkakaiba ng mga katangian ng mga bagay.

Paghahambing ng direktang epekto ng Peltier at ng kabaligtaran na epekto ng Seebeck

Baliktarin ang epekto ng Seebeck

Tulad ng makikita mula sa graph, isinasaalang-alang ang mga error na nauugnay sa mga tampok ng disenyo ng device (ipinahiwatig sa mga tagubilin), maaari nating ipagpalagay na ang temperatura ay hindi nagbago sa panahon ng eksperimento, na nagpapahiwatig na ang reverse Seebeck effect ay hindi nakarehistro.

Maaari itong hatulan ng graph na may pagdaragdag ng isang trend line

Direktang epekto ng Peltier

Kinumpirma ng eksperimento ang pagkakaroon ng direktang epekto ng Peltier: sa isang bahagi ng paliguan ang temperatura ay tumaas, sa kabilang banda ay bumaba ito.

Ang isang katulad na konklusyon ay sumusunod mula sa pagsusuri ng mga pagbabago sa pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng dalawang panig ng elemento ng Peltier.

Konklusyon:

Ang elemento ng Peltier ay may parehong direkta at baligtad na mga epekto. Magagamit lamang ang elementong Seebeck sa direksyong pasulong.

KONGKLUSYON

Kapag nagtatrabaho sa pag-aaral, batay sa mga magagamit na mapagkukunan, ang kasaysayan at mga tampok ng direkta at kabaligtaran na epekto ng Peltier, ang direkta at kabaligtaran na epekto ng Seebeck ay pinag-aralan.

Ang paglikha ng isang epektibong pag-install ay naging posible upang isakatuparan ang nakaplanong mga eksperimento sa isang mataas na kalidad na paraan upang kumpirmahin ang hypothesis na iniharap.

Inihayag ng pag-aaral ang mga natatanging tampok ng Peltier effect at ang Seebeck effect kapag ginamit sa pasulong at pabalik na direksyon.

Ang palagay tungkol sa kawalan ng reverse Seebeck effect ay ganap na nakumpirma. Batay sa pahayag na ito, dapat tandaan na ang mga elemento tulad ng mga elemento ng Peltier at Seebeck ay mas epektibo kapag ginamit para sa kanilang nilalayon na layunin, bagama't posibleng gamitin ang direktang Seebeck effect at ang reverse Peltier effect. Kahit na may mga pagkakatulad sa istruktura, upang makasunod sa teknolohiya, dapat gumana ang isa sa isang tiyak na epekto.

Pagkatapos ng isang detalyadong pag-aaral ng epekto ng Peltier, maaari nating tapusin: sa kabila ng katotohanan na ang paggamit ng epekto ng Peltier ay nangangailangan ng karagdagang mga hakbang at pananaliksik upang pag-aralan ang ligtas at makatwirang paggamit ng mga module ng Peltier bilang mga cooling device, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay lubos na nangangako.

LISTAHAN NG MGA GINAMIT NA SANGGUNIAN

1. Landau L.D., Lifshits E.M. Teoretikal na pisika: Teksbuk. manual: Para sa mga unibersidad. Sa 10. tomo T. VIII. Electrodynamics ng tuluy-tuloy na media. - Ika-4 na ed., stereot.-m.: Fizmatlit, 2000. - 656 p.

2. Narkevich I.I. Physics: Teksbuk/ I.I. Narkevich, E.I. Vomlyansky, S.I. Sa publiko. - Mn.: Bagong kaalaman, 2004. - 680 p.

3. Rowell G., Herbert S. Physics / Transl. mula sa Ingles inedit ni V.G. Razumovsky. - M.: Edukasyon, 1994. - 576 p.: may sakit.

4. Sivukhin S.D. Pangkalahatang kurso ng pisika - M.: Nauka, 1977. - T.3. Kuryente.- P.490-494.

5.. Physics: Encyclopedia./ Sa ilalim. Ed. Yu.V. Prokhorova. - M.: Great Russian Encyclopedia, 2003. - 944 p.: ill., 2 p. kulay

6. Physical Encyclopedia, vol. 5. Stroboscopic device - liwanag / Ch. ed. A.M. Prokhorov. Ed. Col.: D.M. Baldin, Great Russian Encyclopedia, 1998. - 760 p.

7. Vladimir Lank, Miroslav Vondra. Fizika v kokoke. - Ceska republika: FRAGMENT, 2000. - 120 p. Textbook para sa sekondaryang paaralan, Slovak Republic.

8. Tsokos K.A. Physics para sa IB Diploma. Ikalimang edisyon. - UK: Cambridge Universyty Press, 2004. - 850 p. Textbook para sa International Baccalaureate Program

9. Website ng kumpanya 3bscientific. [electronic na mapagkukunan]// https://www.3bscientific.ru/laboratory-installation-seebeck-effect-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (petsa ng pag-access: Pebrero 18, 2018)

Appendix 1. Mga resultang pang-eksperimento

Eksperimento 1. Direktang epekto ng Seebeck

Oras t, s	Pagkakaiba ng temperatura Δ t, o C	Boltahe U, V

Eksperimento 2. Reverse Peltier effect

Oras t, s	Temperatura ng malamig na tubig tx, o C	Temperatura ng mainit na tubig t g, o C	Pagkakaiba ng temperatura Δ t, o C	Boltahe U, V

Eksperimento 3: Baliktarin ang epekto ng Seebeck

Oras t, s	Temperatura ng malamig na tubig tx, o C	Temperatura ng mainit na tubig t g, o C	Pagkakaiba ng temperatura Δ t, o C	Boltahe

Eksperimento 4. Direktang epekto ng Peltier

Oras t, s	Temperatura ng malamig na tubig tx, o C	Temperatura ng mainit na tubig t g, o C	Pagkakaiba ng temperatura Δ t, o C	Boltahe U, V

Appendix 2. Larawan ng pag-install

Natuklasan noong 1834 ni J. Peltier, na natuklasan na kapag ang isang kasalukuyang dumaan sa isang junction ng dalawang magkaibang konduktor, nagbabago ang temperatura ng junction. Noong 1838, ipinakita ni E. H. Lenz na may sapat na malakas na agos posible na mag-freeze o magpakulo ng isang patak ng tubig na inilapat sa isang junction sa pamamagitan ng pagbabago ng direksyon ng agos.

Ang kakanyahan ng epekto ng Peltier ay kapag ang isang electric current ay dumaan sa pakikipag-ugnay ng dalawang metal o semiconductor sa lugar ng kanilang pakikipag-ugnay, bilang karagdagan sa karaniwang init ng Joule, isang karagdagang halaga ng init ay inilabas o hinihigop, na tinatawag na Peltier init Q p. Hindi tulad ng init ng Joule, na proporsyonal sa parisukat ng kasalukuyang, ang magnitude Q p proporsyonal sa unang kapangyarihan ng kasalukuyang.

Q p = P. I. t.

t- kasalukuyang oras ng pagpasa,

ako- kasalukuyang lakas.

P- Peltier coefficient, isang proportionality coefficient na nakasalalay sa likas na katangian ng mga materyales na bumubuo sa contact. Ginagawang posible ng mga teoretikal na konsepto na ipahayag ang koepisyent ng Peltier sa pamamagitan ng mga microscopic na katangian ng mga conduction electron.

Peltier coefficient P = T D a, Saan T- ganap na temperatura, at Δ α - pagkakaiba sa thermoelectric coefficients ng conductors. Tinutukoy ng direksyon ng kasalukuyang kung ang init ng Peltier ay inilabas o hinihigop.

Ang dahilan para sa epekto ay na sa kaso ng pakikipag-ugnay sa pagitan ng mga metal o semiconductor, isang panloob na potensyal na pagkakaiba sa pakikipag-ugnay ay lumitaw sa hangganan. Ito ay humahantong sa katotohanan na ang potensyal na enerhiya ng mga carrier sa magkabilang panig ng contact ay nagiging iba, dahil ang average na enerhiya ng kasalukuyang mga carrier ay nakasalalay sa kanilang spectrum ng enerhiya, konsentrasyon at mga mekanismo ng kanilang pagwawaldas at naiiba sa iba't ibang mga conductor. Dahil ang average na enerhiya ng mga electron na kasangkot sa kasalukuyang paglipat ay naiiba sa iba't ibang mga konduktor, sa proseso ng mga banggaan sa mga lattice ions, ang mga carrier ay nagbibigay ng labis na kinetic energy sa sala-sala, at ang init ay inilabas. Kung, kapag dumadaan sa isang contact, ang potensyal na enerhiya ng mga carrier ay bumababa, kung gayon ang kanilang kinetic energy ay tumataas at ang mga electron, na nagbabanggaan sa mga lattice ions, ay nagdaragdag ng kanilang enerhiya sa isang average na halaga, habang ang Peltier heat ay nasisipsip. Kaya, kapag ang mga electron ay dumaan sa isang contact, ang mga electron ay maaaring maglipat ng labis na enerhiya sa mga atomo o lagyang muli ito sa kanilang gastos.

Sa panahon ng paglipat ng mga electron mula sa isang semiconductor patungo sa isang metal, ang enerhiya ng mga conduction electron ng semiconductor ay makabuluhang mas mataas kaysa sa antas ng Fermi (tingnan ang Fermi energy) ng metal, at ang mga electron ay nagbibigay ng kanilang labis na enerhiya. Ang epekto ng Peltier ay lalong malakas sa mga semiconductor, na ginagamit upang lumikha ng mga aparatong semiconductor na nagpapalamig at nagpapainit, kabilang ang paglikha ng mga microrefrigerator sa mga yunit ng pagpapalamig.