Содержание
Элемент Пельтье – это электрическое устройство, под действием электрического тока образующее на рабочих площадках разницу температур. Принцип действия обратный эффекту Зеебека. Примечательно, что выводы термопары принято называть спаем, как и реальный спай металлов в чувствительном месте датчика. Не стоит впадать в заблуждение, концы обычно подключены к измерительной схеме и не соприкасаются.
Эффекты термоэлектричества
21 июля 1820 года считается поворотной точкой развития истории: Эрстед решился опубликовать свои наблюдения о влиянии провода с током на ориентацию магнитной стрелки в пространстве. Дальнейшие открытия следуют чередой, нас интересует изобретение первого гальванометра. Изготовитель, Швейггер, назвал прибор мультипликатором за способность умножать результат действия на магнитную стрелку нескольких витков провода, несущего ток. Благодаря этому годом позже (1821) физик эстонского происхождения Зеебек открыл термоэлектричество. Общеизвестно, что случившееся помогло пятью годами позже Георгу Ому получить всемирно известный закон.
Ом Георг
Литература говорит, что Зеебек в качестве детектора использовал соленоид с многочисленными витками проволоки и магнитную стрелку. История умалчивает, как к учёному попала спайка висмут-сурьма, но повествует, что учёный подключил тандем в качестве источника питания и видел колебания компаса постоянно, когда брал термопару в руки. Вероятно, оказался близок к открытию собственных сверхспособностей, но в результате к выводу, что виновато тепло рук. Больших результатов учёный добился, используя осветительную лампу в качестве источника тепла.
Зеебек неправильно истолковал результат опыта, назвав открытие магнитной поляризацией: смещение точки нагрева на другой конец изменяло направление отклонения стрелки. В результате выстроилась неправильная теория. Стали утверждать, что температурой возможно непосредственно получить магнитные свойства, а поле Земли обусловлено деятельностью вулканов. Георг Ом уже вскоре после описанного открытия применил термо-ЭДС для вывода известного закона, а в 1831 году подобный источник использовался в опытах по электролизу.
Величина термо-ЭДС невелика. Обычно десятки мВ. Если требуется найти конкретное значение, пользуются таблицами. Эталоном для температур диапазона климата Земли служит платина. Таблицы содержат значение термо-ЭДС для термопар из указанного металла и исследуемого: хромель, алюмель, меди, железо. Значения бывают положительными и отрицательными. К примеру, для сурьмы это +4,7 мВ, а для висмута – минус 6,5. Значения складываются и становится ясно, что при разнице температур на концах пары в 100 градусов образуется ЭДС в 12,2 мВ. Георг Ом подобные условия и пытался создать, погрузив первый конец в лёд, а второй – в кипящую воду.
Эффект термоэлектричества
Справочные таблицы иногда содержат множество значений. К примеру, для разных температур с шагом в 100 градусов. Тогда удаётся посчитать значения для каждой, но и с замещением нуля на любую из указанных температур. Берётся разность между большим и меньшим значением. У отдельных термопар при определённой температуре направление термо-ЭДС меняется на противоположное. К примеру, для меди и железа граничной точкой станет 540 градусов Цельсия.
Эффект Пельтье
Эффект Пельтье называют зеркальным отражением термоэлектричества. В этом случае ток переносит тепло с первого конца термопары на второй. Причём с изменением направления и нагреваемая сторона обращается на противоположную. Эффект открыт в 1834 году, получив неправильное толкование. Лишь 4 года спустя «соотечественник» Ленц сумел заморозить и испарить каплю воды при помощи термопары. В каждом случае ток показывал собственное направление.
Эффект объясняется просто в современной физике. Допустим, имеется два разнородных полупроводника с одинаковым типом проводимости. Электроны в каждом обретают разное значение энергии, причём уровни в обоих случаях расположены близко. Теперь представим, что электрический ток начал переносить заряды из одной среды в другую. Что произойдёт? Электроны с повышенной энергией, оказавшись в среде пониженных уровней, отдадут лишнее количество кристаллической решётке, произведя нагрев. Напротив, если энергии недостаточно, она передастся от кристаллической решётки, что вызовет охлаждение спая.
Эффект Пельтье
Если тип проводимости полупроводников в термопаре неодинаков, эффект объясняется иначе. Электрон, попадая в p-материал занимает на энергетическом уровне место дырки (положительного носителя заряда). В результате теряет кинетическую энергию движения и разницу между нынешним и прошлым состоянием. Высвобожденное количество идёт на образование свободных носителей по обе стороны p-n-перехода. Остаток сообщается кристаллической решётке, от которой идёт нагрев. Если энергия в начальный момент меньше, начнётся охлаждения спая. Рекомбинирующие носители восполняются источником питания.
Количество теплоты, выделенное или поглощённое, пропорционально прошедшему через проводник заряду. Коэффициент в формуле линейной зависимости носит имя Пельтье. Аналогичная величина введена и для термоэлектричества, носит имя Зеебека. Из формулы следует, что количество выделившейся теплоты, в отличие от эффекта Джоуля-Ленца, пропорционально первой степени электрического тока (определяющего перенесённый заряд).
Эффект Томсона
На основании данных о коэффициентах Зеебека и Пельтье лорд Кельвин (Томсон) предсказал в 1856 году новый эффект: нагретый в центре проводник при пропускании электрического тока охлаждается с одной стороны и становится горячее с другой. Теоретические данные подтверждены опытным путём, открыв дорогу для создания климатической техники и прочего.
Идея лорда Томсона: если вдоль проводника присутствует градиент температуры (см. Электрическое поле), при протекании тока начнётся перенос тепла. Это устройство работает по принципу теплового насоса. Переносимая мощность пропорциональна градиенту: чем круче график изменения температуры по длине проводника, тем больший тепловой эффект проявляется.
Коэффициент пропорциональности в формуле носит имя Томсона и связан с коэффициентами термоэлектричества и Пельтье. Выше авторы привели объяснения согласно кинетической (микроскопической) теории, оперирующей уровнями энергетических состояний носителей заряда. Лорд Кельвин придерживался термодинамической (макроскопической) концепции, где во внимание принимаются глобальные потоки и силы. Это различие применимо ко множеству отраслей физики. К примеру, закон Ома для участка цепи возможно рассматривать как вариант термодинамического взгляда на вещи.
Называют и общие черты. В термодинамической концепции массово применяются константы: речь о коэффициенте теплопроводности (закон Фурье) и изотермической проводимости (закон Ома).
Следствия
Ряд связанных с обсуждаемой темой полезных законов:
- В замкнутой цепи из однородного материала за счёт температуры электрический ток поддерживаться не может. Это утверждение носит имя немецкого физика Магнуса. Порой именуется законом однородной цепи.
- Закон промежуточных металлов гласит, что алгебраическая сумма термо-ЭДС замкнутого контура, состоящего из любого количества сегментов разнородных проводящих материалов равна нулю при условии, что температура участков одинаковая.
Эффект Томпсона
Использование термоэлектрических и электротермических эффектов
Долгое время прямой и обратный термоэлектрический эффект не находили применения, полезная величина оказывалась слишком мала. Постепенно физики создали сплавы свойства которых на два порядка перекрывают чистые металлы, использованные Пельтье и Ленцом. Теперь термоэлектричество находит применение. Вспомним термостат холодильника либо термоэлектрические холодильники без движущихся частей. Гораздо интереснее космическая отрасль, где явление применяется для охлаждения фоторезисторов: при понижении температуры лишь на 10 градусов чувствительность подобных датчиков вырастает на порядок.
Дополнительным плюсом описанных технических решений становятся компактность и малое потребление энергии: при весе 150 г установка охлаждает терморезистор на 50-60 градусов. В бытовой электронике эффектом Пельтье поддерживается нормальный режим процессоров в системном блоке персональных компьютеров. Да, стоит техническое решение недёшево, зато бесшумность гарантирована. К примеру, энтузиасты с 2010-х годов конструируют холодильники в домашних условиях. Высокого КПД не удаётся добиться из-за больших потерь через корпус. Но с появлением новых изолирующих строительных материалов положение дел улучшится.
Интересно, что при изменении направления электрического тока эффект начинает работать в противоположную сторону. Возможен нагрев. На базе описанных эффектов создают термостаты, отслеживающие температуру до тысячных долей градуса. Среди перспективных направлений отмечают бытовые кондиционеры и прочие системы охлаждения. Самым заметным недостатком считается цена. И не нужно забывать, что КПД кондиционера, как правило, больше 1, работает этот агрегат по принципу теплового насоса. Пусть эффективность резко падает с ростом температуры окружающей среды, термопары пока сильно отстают от традиционных методов охлаждения со своими 10%.
Высказываются иные мнения. Академик Иоффе, отдельные сентенции которого использованы в приведённом топике, предложил создавать системы для обогрева и охлаждения помещения по типу сплит-систем. В этом случае возникает осложнение, как с типичными кондиционерами, но КПД достигает 200%. Смысл: при обогреве, допустим, поглощающий тепло спай размещается снаружи, а выделяющий – в помещении. Качать из мороза жар нелегко, потому у методики присутствуют ограничения. Однако не запрещено на основе указанной методики создавать тепловые насосы.
К безусловным плюсам климатических систем, использующих элемент Пельтье, относится возможность работы в обратном направлении. Летом печка станет кондиционером. Следует лишь изменить направление протекания тока. Известны противоположные наработки, призванные превратить солнечное тепло в электрическую энергию. Но пока подобные конструкции изготавливают на основе кремния, и термопарам не находится места.
Материалы для создания термопар
Очевидно, обычные металлы для создания мощных систем не годятся. Требуются пары с мощностью от 100 мкВ на 1 градус. В последнем случае достигается высокий КПД. Материалами становятся сплавы висмута, сурьмы, теллурия, кремния, селена. К недостаткам компонентов относятся хрупкость и сравнительно малая температура работы. Низкий КПД добавляет ограничений, но с внедрением нанотехнологий появляется надежда, что привычные рамки окажутся преодолены. Учёные среди перспективных направлений называют разработку принципиально новой полупроводниковой базы с поистине уникальными свойствами, включая точное значение энергетических уровней материалов.
