Modulo termoelettrico Peltier - dispositivo, principio di funzionamento, caratteristiche

Il fenomeno dell'emergere del termo-EMF fu scoperto dal fisico tedesco Thomas Johann Seebeck nel 1821. E questo fenomeno consiste nel fatto che in un circuito elettrico chiuso costituito da conduttori eterogenei collegati in serie, a condizione che i loro contatti siano a temperature diverse, si verifica un EMF.

Questo effetto, dal nome del suo scopritore, l'effetto Seebeck, ora viene semplicemente chiamato effetto termoelettrico.

Se il circuito è costituito solo da una coppia di conduttori diversi, viene chiamato tale circuito termocoppia. In una prima approssimazione, si può sostenere che l'entità del termo-emf dipende solo dal materiale dei conduttori e dalle temperature dei contatti freddi e caldi. Pertanto, in un piccolo intervallo di temperature, il termo-EMF è proporzionale alla differenza di temperatura tra i contatti freddi e caldi e il coefficiente di proporzionalità nella formula è chiamato coefficiente termo-EMF.

Ad esempio, ad una differenza di temperatura di 100 ° C, a una temperatura di contatto freddo di 0 ° C, una coppia di rame-costantano ha un termo-EMF di 4,25 mV.

Nel frattempo, L'effetto termoelettrico si basa su tre componenti:

Il primo fattore è la differenza nella dipendenza dalla temperatura dell'energia elettronica media di diverse sostanze. Di conseguenza, se la temperatura del conduttore viene riscaldata a un'estremità, gli elettroni acquisiscono lì velocità più elevate rispetto agli elettroni all'estremità fredda del conduttore.

A proposito, la concentrazione di elettroni di conduzione aumenta anche nei semiconduttori con riscaldamento. Gli elettroni si precipitano all'estremità fredda ad alta velocità, e lì si accumula una carica negativa, e una carica positiva non compensata viene ottenuta all'estremità calda. Quindi esiste un componente di termo-EMF, chiamato EMF volumetrico.

Il secondo fattore è che per le diverse sostanze, la differenza del potenziale di contatto dipende in modo diverso dalla temperatura. Ciò è dovuto alla differenza nell'energia di Fermi di ciascuno dei conduttori messi in contatto. La differenza di potenziale di contatto che si presenta in questo caso è proporzionale alla differenza di energia di Fermi.

Si ottiene un campo elettrico in uno strato di contatto sottile e la differenza di potenziale su ciascun lato (per ciascuno dei conduttori messi in contatto) sarà la stessa e quando il circuito sarà cerchiato in un circuito chiuso, il campo elettrico risultante sarà zero.

Ma se la temperatura di uno dei conduttori differisce dalla temperatura dell'altro, quindi a causa della dipendenza dell'energia di Fermi dalla temperatura, anche la differenza potenziale cambierà. Di conseguenza, ci sarà un contatto EMF - il secondo componente del termo-EMF.

Il terzo fattore è l'aumento dei fononi nei campi elettromagnetici. A condizione che vi sia un gradiente di temperatura nel solido, prevarrà il numero di fononi (fonone - il quanto del moto vibrazionale degli atomi di cristallo) che si spostano nella direzione dall'estremità calda a quella fredda, per cui, insieme ai fononi, un gran numero di elettroni verrà portato via verso l'estremità fredda e una carica negativa si accumulerà lì fino a quando il processo non raggiungerà l'equilibrio.

Ciò fornisce il terzo componente del termo-EMF, che a basse temperature può essere centinaia di volte superiore rispetto ai due componenti sopra menzionati.

Nel 1834, il fisico francese Jean Charles Peltier scoprì l'effetto opposto. Scoprì che quando una corrente elettrica passa attraverso una giunzione di due conduttori diversi, il calore viene rilasciato o assorbito.

La quantità di calore assorbito o rilasciato è associata al tipo di sostanze saldate, nonché alla direzione e all'entità della corrente elettrica che fluisce attraverso la giunzione.Il coefficiente di Peltier nella formula è numericamente uguale al coefficiente di termo-EMF moltiplicato per la temperatura assoluta. Questo fenomeno è ora noto come effetto peltier.

Nel 1838, il fisico russo Emiliy Khristianovich Lenz comprese l'essenza dell'effetto Peltier. Ha testato sperimentalmente l'effetto Peltier mettendo una goccia d'acqua nella giunzione di campioni di antimonio e bismuto. Quando Lenz ha passato una corrente elettrica attraverso il circuito, l'acqua si è trasformata in ghiaccio, ma quando lo scienziato ha invertito la direzione della corrente, il ghiaccio si è rapidamente sciolto.

Lo scienziato ha stabilito in modo tale che quando scorre la corrente, non solo viene rilasciato il calore di Joule, ma si verifica anche l'assorbimento o il rilascio di calore aggiuntivo. Questo calore aggiuntivo era chiamato calore di Peltier.

La base fisica dell'effetto Peltier è la seguente. Il campo di contatto alla giunzione di due sostanze, creato dalla differenza di potenziale di contatto, impedisce il passaggio di corrente attraverso il circuito o contribuisce ad esso.

Se la corrente viene passata contro il campo, è necessario il lavoro della sorgente, che dovrebbe spendere energia per superare il campo di contatto, a seguito del quale viene riscaldata la giunzione. Se la corrente è diretta in modo che il campo di contatto la supporti, allora il campo di contatto fa il lavoro e l'energia viene tolta dalla sostanza stessa e non consumata dalla fonte corrente. Di conseguenza, la sostanza nella giunzione viene raffreddata.

L'effetto Peltier più espressivo nei semiconduttori, grazie al quale moduli Peltier o convertitori termoelettrici.

Nel cuore di Elemento Peltier due semiconduttori in contatto tra loro. Questi semiconduttori si distinguono per l'energia degli elettroni nella banda di conduzione, quindi quando una corrente scorre attraverso il punto di contatto, gli elettroni sono costretti ad acquisire energia per essere in grado di trasferirsi su un'altra banda di conduzione.

Quindi, quando si spostano in una banda di conduzione ad alta energia di un altro semiconduttore, gli elettroni assorbono energia, raffreddando il sito di transizione. Nella direzione opposta alla corrente, gli elettroni emettono energia e il riscaldamento avviene in aggiunta al calore di Joule.

Il modulo semiconduttore Peltier è composto da più coppie semiconduttori tipo p e na forma di piccoli parallelepipedi. Normalmente, tellururo di bismuto e una soluzione solida di silicio e germanio sono usati come semiconduttori. I parallelepipedi a semiconduttore sono interconnessi in coppie da ponticelli in rame. Questi ponticelli servono come contatti per lo scambio di calore con piastre in ceramica.

I ponticelli sono posizionati in modo tale che su un lato del modulo vi siano solo ponticelli che forniscono una transizione n-p e, d'altra parte, solo ponticelli che forniscono una transizione p-n. Di conseguenza, quando viene applicata una corrente, un lato del modulo si riscalda, l'altro lato si raffredda e se la polarità dell'alimentazione viene invertita, i lati di riscaldamento e raffreddamento cambieranno di conseguenza. Pertanto, con il passaggio della corrente, il calore viene trasferito da un lato del modulo all'altro e si verifica una differenza di temperatura.

Se ora un lato del modulo Peltier viene riscaldato e l'altro viene raffreddato, nel circuito apparirà la termo-emf, ovvero l'effetto Seebeck verrà realizzato. Ovviamente, l'effetto Seebeck (effetto termoelettrico) e l'effetto Peltier sono due facce della stessa medaglia.

Oggi puoi acquistare facilmente i moduli Peltier a un prezzo relativamente conveniente. I moduli Perrier più popolari sono di tipo TEC1-12706, contenenti 127 termocoppie e progettati per l'alimentazione a 12 volt.

Con un consumo massimo di 6 ampere, è possibile ottenere una differenza di temperatura di 60 ° C, mentre l'intervallo di temperatura di funzionamento sicuro dichiarato dal produttore va da -30 ° C a + 70 ° C. La dimensione del modulo è 40mm x 40mm x 4mm. Il modulo può funzionare sia in modalità raffreddamento-riscaldamento che in modalità modalità di generazione.

Esistono moduli Peltier più potenti, ad esempio TEC1-12715, con una potenza nominale di 165 watt. Quando alimentato da una tensione compresa tra 0 e 15,2 volt, con una corrente compresa tra 0 e 15 ampere, questo modulo è in grado di sviluppare una differenza di temperatura di 70 gradi.La dimensione del modulo è anche di 40 mm x 40 mm x 4 mm, tuttavia, l'intervallo di temperature di lavoro sicure è più ampio - da -40 ° C a + 90 ° C.

La tabella seguente mostra i dati sui moduli Peltier che sono oggi ampiamente disponibili sul mercato:

Dati sui moduli Pelt