Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Интересные факты, Интересные электротехнические новинки » Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока
Количество просмотров: 100291
Комментарии к статье: 10


Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока


Эффект Пельтье: магическое действие электрического токаНачало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.

О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики – термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.

Проблема охлаждения тогда не была такой острой, как сегодня. Поэтому к эффекту Пельтье обратились только спустя почти два столетия, когда появились электронные устройства, для работы которых потребовались миниатюрные системы охлаждения. Достоинством охлаждающих элементов Пельтье являются малые габариты, отсутствие движущихся деталей, возможность каскадного соединения для получения больших перепадов температур.

Кроме этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, охлаждение сменяется нагреванием, поэтому на нем легко реализуются системы точного поддержания температуры – термостаты. Недостатком элементов (модулей) Пельтье является низкий КПД, что требует подведения больших значений тока для получения заметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластины, противоположной охлаждаемой плоскости.

Но обо всем по-порядку. Для начала попытаемся рассмотреть физические процессы, ответственные за наблюдаемое явление. Не погружаясь в пучину математических выкладок, постараемся просто на «пальцах» понять природу этого интересного физического явления.

Поскольку речь идет о температурных явлениях, физики, для удобства математического описания, заменяют колебания атомной решетки материала неким газом, состоящим из как бы частиц - фононов.

Температура фононного газа зависит от температуры окружающей среды и свойств металла. Тогда любой металл - это смесь электронного и фононного газов, находящихся в термодинамическом равновесии.При контакте двух разных металлов в отсутствии внешнего поля более “горячий” электронный газ проникает в зону более “холодного”, создавая известную всем контактную разность потенциалов.

При прикладывании разности потенциалов к переходу, т.е. протекании тока через границу двух металлов, электроны забирают энергию у фононов одного металла и передают ее фононному газу другого. При смене полярности передача энергии, а значит, нагрев и охлаждение меняют знак.

В полупроводниках за перенос энергии отвечают электроны и “дырки”, но механизм переноса тепла и появления разности температур сохраняется. Разность температур увеличивается до тех пор, пока не истощатся высокоэнергетичные электроны. Наступает температурное равновесие. Такова современная картина описания эффекта Пельтье.

Из нее понятно, что эффективность работы элемента Пельтье зависит от подбора пары материалов, силы тока и скорости отвода тепла от горячей зоны. Для современных материалов (как правило, это полупроводники) КПД составляет 5-8%.

А теперь о практическом применении эффекта Пельтье. Для его увеличения отдельные термопары (спаи двух различных материалов) собираются в группы, состоящие из десятков и сотен элементов. Основное назначение таких модулей – это охлаждение небольших объектов или микросхем.

Термоэлектрический модуль

Термоэлектрический охлаждающий модуль

Широкое применение модули на эффекте Пельтье нашли в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сегодня применяют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубокого охлаждения для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные детекторы в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, кварцевые генераторы в системах точного времени. Но это все применения военного и специального назначения.

С недавних пор модули Пельтье нашли применение и в бытовых изделиях. Преимущественно, в автомобильной технике: кондиционеры, переносные холодильники, охладители воды.

Пример использования эффекта Пельтье

Пример практического использования эффекта Пельтье

Наиболее интересным и перспективным применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные микропроцессоры процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем охлаждения устраняют шум при значительном отборе тепла.

Компактный USB-холодильник с использованием модулей Пельтье

Компактный USB-холодильник с использованием модулей Пельтье

И, наконец, закономерный вопрос: заменят ли модули Пельтье привычные системы охлаждения в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодняшний день это невыгодно с точки зрения эффективности (малый КПД) и цены. Стоимость мощных модулей еще достаточно высока.

Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность появления новых, более дешевых материалов с большим КПД и высоким значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сегодня появляются сообщения из исследовательских лабораторий об удивительных свойствах наноуглеродных материалов, которые радикально смогут изменить ситуацию с эффективными системами охлаждения.

Появились сообщения о высокой термоэлектрической эффективности кластратов – твердотельных растворов, похожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совершенно бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы заменят наши привычные домашние модели.

P.S. Одной из самых интересных особенностей термоэлектрической технологии является то, что она может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить обратный процесс, и, например, из тепла получить электрическую энергию.  

Пример того, как можно получить электроэнергию из тепла с использованием термоэлектрического модуля (термоэлектрического генератора) смотрите на этом видео:

 

А что Вы думаете по этому поводу? Жду Ваших комментариев!

Андрей Повный

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Интересные факты, Интересные электротехнические новинки

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Разновидности популярных модулей Пельтье
  • Термоэлектрический модуль Пельтье - устройство, принцип действия, характери ...
  • Как устроены и работают термоэлектрические холодильники, их достоинства и н ...
  • Термоэлектрический эффект и охлаждение, эффект Пельтье
  • Эффективное преобразование тепла в электричество с помощью термогенераторов ...
  • Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите
  • Контактные явления и термоЭДС - ответы на популярные вопросы
  • Рекуперация тепла с использованием термоэлектрических материалов: перспекти ...
  • Когда станут реальностью плазменные генераторы электричества
  • Как обеспечить оптимальное нагревание и охлаждение электрических двигателей
  • Категория: Интересные факты, Интересные электротехнические новинки

    Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: Кузьмич |

    Что-то я не понял, какие милливольты показывал прибор? При 600мВ и тем более 300мВ светодиоды не засветятся...

      Комментарии:

    #2 написал: Юрий |

    там запятая стоит, сотые показывает)

      Комментарии:

    #3 написал: Александр |

    Купил на Алиэкспресс 10шт элементов Пельтье всего за 100р/шт. Вот теперь жду когда прийдет термоконтейнер чтобы запилить из него холодильник на солнечных батареях, для кемпинга самое то.

      Комментарии:

    #4 написал: Антон |

    Александр, а вы уже прикинули, сколько и как тепла нужно будет отводить от "горячей" стороны? А то если его не отводить, оно так и норовит разогреть весь элемент (естественно, разница температур между сторонами остается)

      Комментарии:

    #5 написал: robertleon |

    Редкая и малоизвестная тема поднята публикацией. Возможно, надо продолжить развитие темы. Может быть, показать ее значимость конкретными примерами реализации с цифрами.

      Комментарии:

    #6 написал: Сергей |

    Для термоэлектрического генератора используют SP1848 имеющие более высокий КПД в таком режиме.

      Комментарии:

    #7 написал: Марат |

    Александр, низкий кпд и жрет дохрена, солнечных батарей не хватит, добился охлаждения до 1 градуса потребляет при этом 10 ампер при 12 вольтах

      Комментарии:

    #8 написал: Александр |

    Да вы, батенька, что-то не так делаете. Ни фига себе 10А!
    Вы подвели 120 Вт и при этом получили всего 1 градус?! Квартиру что ли охлаждали? Если нет, то поспешу вас огорчить: автомобильных холодильников на элементах пельтье сделана уже целая туча. Потребление 45-55Вт. Охлаждают прилично, нагревают тоже - градусов до +60 С запросто. Посмотрите готовые, по магазинам их навалом.

      Комментарии:

    #9 написал: Алексей |

    Эффект Пельтье может быть использован для построения холодильного устройства. Если выбрать такое направление тока, при котором одни спаи будут охлаждаться, а другие спаи — нагреваться, температура внутри холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника — нагреваться (что происходит при любой конструкции холодильника). Практически холодильник может быть построен лишь на полупроводниковых термоэлементах (термопарах), так как кпд металлических слишком мал.

      Комментарии:

    #10 написал: Руслан |

    Явление Пельтье легко объясняется с качественной стороны следующим образом. Если на границе соприкосновения существует разность потенциалов, то электроны, создающие ток в цепи, переходя скачок потенциала, приобретают или теряют в зависимости от направления скачка добавочную кинетическую энергию, что и проявляется в выделении или поглощении тепла в спае.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.