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Effetto Peltier: l'effetto magico della corrente elettrica
L'inizio del XIX secolo. L'età d'oro della fisica e dell'ingegneria elettrica. Nel 1834, l'orologiaio e naturalista francese Jean-Charles Peltier mise una goccia d'acqua tra il bismuto e gli elettrodi di antimonio, quindi fece passare una corrente elettrica attraverso il circuito. Con suo stupore, vide che la goccia si era improvvisamente congelata.
L'effetto termico della corrente elettrica sui conduttori era noto, ma l'effetto opposto era simile alla magia. Puoi capire i sentimenti di Peltier: questo fenomeno all'incrocio di due diverse aree della fisica - la termodinamica e l'elettricità - provoca oggi un senso di meraviglia.
Il problema del raffreddamento non era così acuto come lo è oggi. Pertanto, l'effetto Peltier fu affrontato solo dopo quasi due secoli, quando apparvero dispositivi elettronici, per il funzionamento dei quali erano richiesti sistemi di raffreddamento in miniatura. dignità Elementi di raffreddamento Peltier sono dimensioni ridotte, assenza di parti mobili, possibilità di collegamenti in cascata per ottenere grandi differenze di temperatura.
Inoltre, l'effetto Peltier è reversibile: quando la polarità della corrente attraverso il modulo cambia, il raffreddamento viene sostituito dal riscaldamento, quindi è facile implementare sistemi di mantenimento accurato della temperatura - termostati. Lo svantaggio degli elementi (moduli) Peltier è la bassa efficienza, che richiede la somma di valori di corrente elevati per ottenere una notevole differenza di temperatura. La complessità è rappresentata dalla rimozione del calore dalla piastra opposta al piano raffreddato.
Ma prima le cose. Innanzitutto, proviamo a considerare i processi fisici responsabili del fenomeno osservato. Senza immergerci nell'abisso dei calcoli matematici, proveremo semplicemente a capire la natura di questo interessante fenomeno fisico sulle "dita".
Dal momento che stiamo parlando di fenomeni di temperatura, i fisici, per comodità di una descrizione matematica, sostituiscono le vibrazioni del reticolo atomico di un materiale con un certo gas costituito, per così dire, da particelle - fononi.
La temperatura del gas fonone dipende dalla temperatura ambiente e dalle proprietà del metallo. Quindi ogni metallo è una miscela di elettroni e fononi nell'equilibrio termodinamico. Quando due metalli diversi entrano in contatto in assenza di un campo esterno, un gas elettronico "più caldo" entra nella zona di uno "più freddo", creando una differenza di potenziale di contatto nota a tutti.
Quando si applica la differenza potenziale alla transizione, ad es. mentre la corrente scorre attraverso il confine di due metalli, gli elettroni prendono energia dai fononi di un metallo e la trasferiscono nel gas fonone di un altro. Con un cambiamento di polarità, il trasferimento di energia, il che significa che il riscaldamento e il raffreddamento, cambiano segno.
Nei semiconduttori, gli elettroni e i "buchi" sono responsabili del trasferimento di energia, ma il meccanismo di trasferimento del calore e l'aspetto di una differenza di temperatura sono preservati. La differenza di temperatura aumenta fino all'esaurimento degli elettroni ad alta energia. L'equilibrio della temperatura si inserisce. Questa è la moderna immagine della descrizione Effetto Peltier.
Ne risulta chiaro che Prestazioni degli elementi Peltier dipende dalla selezione di una coppia di materiali, dalla resistenza attuale e dalla velocità di rimozione del calore dalla zona calda. Per i materiali moderni (generalmente semiconduttori), l'efficienza è del 5-8%.
E ora sull'applicazione pratica dell'effetto Peltier. Per aumentarlo, le singole termocoppie (giunzioni di due materiali diversi) sono assemblate in gruppi costituiti da decine e centinaia di elementi. Lo scopo principale di tali moduli è il raffreddamento di piccoli oggetti o microcircuiti.
Modulo di raffreddamento termoelettrico
I moduli basati sull'effetto Peltier sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di visione notturna con una matrice di ricevitori a infrarossi.I microcircuiti accoppiati a carica (CCD), utilizzati anche oggi nelle fotocamere digitali, richiedono un raffreddamento profondo per registrare immagini nella regione a infrarossi. I moduli Peltier raffreddano i rilevatori a infrarossi nei telescopi, gli elementi laser attivi per stabilizzare la frequenza delle radiazioni, oscillatori di cristallo nei sistemi di tempo esatto. Ma queste sono tutte applicazioni militari e speciali.
Di recente, i moduli Peltier hanno trovato applicazione nei prodotti per la casa. Principalmente nella tecnologia automobilistica: condizionatori d'aria, frigoriferi portatili, refrigeratori d'acqua.
Un esempio dell'uso pratico dell'effetto Peltier
L'applicazione di moduli più interessante e promettente è la tecnologia informatica. Microprocessori, processori e chip per schede video ad alte prestazioni emettono molto calore. Per raffreddarli, vengono utilizzate ventole ad alta velocità, che creano un notevole rumore acustico. L'uso dei moduli Peltier come parte dei sistemi di raffreddamento combinati elimina il rumore con una significativa rimozione del calore.
compatto USBdispositivo di raffreddamento che utilizza i moduli Peltier
E, infine, una domanda logica: i moduli Peltier sostituiranno i sistemi di raffreddamento convenzionali nei frigoriferi domestici a compressione? Oggi non è redditizio in termini di efficienza (bassa efficienza) e prezzo. Il costo di moduli potenti è ancora piuttosto elevato.
Ma la tecnologia e la scienza dei materiali non si fermano. È impossibile escludere la possibilità di comparsa di nuovi materiali più economici con alta efficienza e un alto coefficiente di Peltier. Già oggi ci sono rapporti di laboratori di ricerca sulle incredibili proprietà dei materiali di nanocarburi che possono cambiare radicalmente la situazione con sistemi di raffreddamento efficienti.
Sono stati segnalati alti meriti termoelettrici di clastrati - soluzioni solide simili nella struttura agli idrati. Quando questi materiali escono dai laboratori di ricerca, i dispositivi di raffreddamento completamente silenziosi con durata illimitata sostituiranno i nostri soliti modelli domestici.
Post scriptum unooh di più interessante lineamenti tecnologia termoelettrica è quello lei lo è lattina non solo da usare energia elettrica per ottenere caldo e freddo, ma anche grazie a lei WMSma avvia il processo inverso e, ad esempio, ottieni energia elettrica dal calore.
Un esempio di come puoi ottenere elettricità dal calore con utilizzando il modulo termoelettrico (generatore termoelettrico) guarda questo il video:
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