Объяснение эффекта Пельтье

Причина же возникновения явления Пельтье в той же контактной разности потенциалов. Если говорить на языке «полей и токов», то если через контакт идет ток, то внутреннее электрическое поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идет против электрического поля E, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая будет выделяться в контакте, что приведет к его нагреву. Если же ток идет по направлению поля E, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Рис.3. Эффект Пельтье на языке «полей и токов»

Если же говорить на языке «состояний электронов», то в первом случае для преодоления контактной разности потенциалов электрон должен «сбросить» дополнительную энергию, как бы затормозиться, поскольку в соседнем проводнике нет таких состояний в электронном спектре, в противоположном случае ему нужно набрать дополнительную энергию, чтобы прыгнуть в более высокое энергетическое состояние.

Рис.4 Эффект Пельтье на контактах полупроводник n-типа -металл; ε_F- уровень Ферми; ε_c - дно зоны проводимости полупроводника: ε_ν - потолок валентной зоны

При пропускании тока, энергия источника расходуется на создание тепла Пельтье

(3)

и на рассеяние тепла δQ_Дж=IUt , (закон Джоуля-Ленца). Соответственно, в горячей части будет выделяться тепло, равное

а в холодной части поглощаться

При тепловом равновесии в теплоизолированной системе, установившаяся разность температур в половинах модуля Пельтье будет определяться только количеством тепла δQ_AB, так как потери тепла δQ_Дж в обеих половинах модуля Пельтье одинаковы (модули одинаковы). Соответственно,

Величина выделяемого количества тепла δQ_AB и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока I и времени dt прохождения тока:

где П_AB = П_B – П_A – коэффициент Пельтье для модуля Пельтье, П_B и П_A – коэффициенты Пельтье для каждого из контактирующих веществ. Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников p- и n-типа проводимости.

Термоэлектрический модуль (элемент) Пельтье

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника p-типа и одного проводника n-типа. Рассмотрим схему элемента, состоящего из двух полупроводников n и p-типов, собранных в цепь по схеме ниже (рис.5). Если создать поток тепла Q_h и отводить поток Q_с то в цепи возникнет ток I. Согласно закону сохранения энергии электрическая мощность P= Q_h-Q_с

Рис.5 Единичный элемент ТЭМ

В зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа - p-n- и n-p-переходов вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется. То есть тепло Пельтье либо поглощается, либо выделяется. Использование полупроводников p- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках иллюстрирует рис.6. Коэффициенты Пельтье для полупроводников p-типа отрицательны, а для n-типа – положительны. Т.е. если подключить элемент питания так, как представлено на рисунке 6, то P_np = P_n – P_p>0 (тепло выделяется), P_pn = P_p– P _n <0 (тепло поглощается),

Рис.6. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических холодильниках.

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы - модули Пельтье сравнительно большой мощности. Охлаждение до отрицательных температур при малых габаритах – одно из сильных достоинств элемента Пельтье. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 7.

Рис. 7. Структура модуля Пельтье

Модуль Пельтье, состоит из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор - холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов.