Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

 
 

Сайт электрика

Интересные факты, Интересные электротехнические новинки

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!


Сейчас самое время поделиться статьей и добавить ее в закладки!


Тематические разделы: Интересные факты, Интересные электротехнические новинки

Другие статьи:

  • Термоэлектрический модуль Пельтье - устройство, принцип действия, характери ...
  • Термоэлектрический эффект и охлаждение, эффект Пельтье
  • Эффективное преобразование тепла в электричество с помощью термогенераторов ...
  • Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите
  • Когда станут реальностью плазменные генераторы электричества?
  • Уже в ближайшем будущем все силовые кабели будут из сверхпроводящих материа ...

  •  
      Комментарии:

    #1 написал: Кузьмич | [цитировать]

     
     

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

      Комментарии:

    #2 написал: Юрий | [цитировать]

     
     

    там запятая стоит, сотые показывает)

      Комментарии:

    #3 написал: Александр | [цитировать]

     
     

    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 | [цитировать]

     
     

    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 | [цитировать]

     
     

    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 | [цитировать]

     
     

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

      Комментарии:

    #7 написал: Марат | [цитировать]

     
     

    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 | [цитировать]

     
     

    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.

    Добавление комментария
    Имя:*
    E-Mail:
    Комментарий:
    Введите код: *

    Электрика дома  | Электрообзоры  | Энергосбережение
    Секреты электрика | Источники света | Делимся опытом
    Домашняя автоматика | Электрика для начинающих
    Электромастерская | Электротехнические новинки

    Электрик Инфо - электротехника и электроника, домашняя автоматизация, статьи про устройство и ремонт домашней электропроводки, розетки и выключатели, провода и кабели, источники света, обзоры электротехнических новинок, интересные факты и многое другое для электриков и домашних мастеров.
    Copyright © 2008-2016 electrik.info
    Е-mail: electroby@mail.ru Сайт в Google+
    Вся информация на сайте Электрик Инфо предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет. Сайт может содержать материалы 12+
    Перепечатка материалов сайта запрещена.

    Полезное

    Светодиодные лампы и светильники IEK