Эффект Пельтье(1834г.)
При прохождении тока через термоэлемент в
его спаях поглощается или выделяется (в
зависимости от направления тока) некоторое 
количество тепла Qп, пропорциональное заряду I·t,
прошедшему через контакт:
Qп П I t |
, Дж, (4) |
где П – коэффициент Пельтье, В; I – ток через
контакт; t – время.
Тепло Пельтье поглощается или выделяется в
дополнение к
джоулеву теплу.
Эффект Пельтье
|
φк =Δφd |
|
φм |
φс |
φм |
|
||
Ме |
n |
Ме |
|
φv |
|
Рис. 4. Зонная
диаграмма нейтрального контакта металл – электронный полупроводник
Рассмотрим природу эффекта Пельтье на примере контакта одной из ветвей термоэлемента с металлическими контактными пластинами (рис. 4). Пола- гаем, что контакты являются нейтральными, то есть работы выхода из металла, φм, и полупроводника, φп,
одинаковы, а в получившемся невыпрямляющем контакте отсутствуют слои обогащения или обеднения, нет изгиба зон.
Зонная диаграмма нейтрального контакта металл - n-полупроводник имеет вид, изображенный на рис. 4.
Поскольку разность φс-φп=Δφd>0, где φс
– энергия дна зоны проводимости, то для электронов, переходящих из металла в полупроводник, существует потен- циальный барьер Δφd 0,03 В.
Эффект Пельтье |
|||
|
|
|
φс |
|
|
I |
|
|
|
|
φFм2 |
U |
φFм1 |
|
|
φк |
|
|
|
|
|
φv |
|
|
Т2 |
Т1 |
Т2 |
|
|
а |
б |
Рис. 5. Зонные диаграммы контактов металл – |
|||
полупроводник при пропускании через них тока |
|||
(показана полярность приложенного внешнего |
|||
|
напряжения): а - металл – электронный |
||
|
полупроводник; б- металл – дырочный |
||
|
|
полупроводник; Т2 >Т1 |
|
Эффект Пельтье. Тепловой насос
|
|
T2 |
|
|
T2 |
|
|
T2 |
|||
|
p |
|
n |
|
p |
|
n |
|
p |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
T1 |
U |
T1 |
|
|
Рис. 6. Последовательное включение полупроводниковых
термоохлаждающих элементов, T2>T1
Эффект Пельтье.Тепловой насос
Эффективность охлаждения возрастает при увеличении числа термоэлементов и пропускании через них электрического тока (рис. 6). При этом одна сторона получившегося термоэлектрического устройства будет охлаждаться, а другая - нагреваться.
На этом принципе основано действие термоэлектрических охлаждающих устройств, или холодильников. Условия теплового баланса холодильника:
Qп Qк Т 2 Т1 Т , |
(5) |
где Qк – количество тепла, переносимое между спаями,
Дж; λ 0,15 Вт/м·К– полная теплопроводность термоэлектрического элемента; Т – разность температур 
на концах термоэлемента, К.
Эффект Пельтье.Тепловой насос
В 
оптимальном режиме работы в единицу времени термоэлектрический элемент вырабатывает разность температур, которая рассчитывается по формуле
|
|
|
Т |
Qп |
|
П I |
|
, |
(6) |
|
I |
П |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
где |
- значение оптимального тока, А; |
|
|||||||
R |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R – электросопротивление термобатареи. |
|
|
|||||||
Подставляя выражение для величины тока в формулу (6.6), получим выражение для разности температур на концах
термоэлемента в виде |
П 2 |
, К. (7) |
|
Т |
|||
R |
|
Следовательно, максимальный эффект охлаждения при фиксированном значении коэффициента Пельтье достигается при уменьшении коэффициента теплопроводности и электро- сопротивления полупроводника.
Эффект Томсона (1856 г.)
Английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) показал, что если вдоль проводника, по которому протекает электрический ток, существует перепад температур, то в объеме проводника выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество тепла Qт, которое можно рассчитать 
по формуле
Qт=τ·ΔТ·I·t, |
(6.8) |
где τ – коэффициент Томсона, В/К; |
Т – |
перепад температур вдоль проводника, К; I – ток 
через проводник, А; t – время, с.
Эффект Томсона
|
Qт>0 |
|
|
|
Qт<0 |
|
T |
> |
T |
1 |
T2 |
> |
T1 |
2 |
|
|
|
|
||
|
vn |
|
|
|
vn |
|
|
I |
|
|
|
I |
|
|
a |
|
|
|
б |
|
Рис. 7. Протекание тока в проводнике при наличии градиента
температуры: а – электроны отдают энергию проводнику (Qт>0); б – электроны поглощают энергию из проводника (Qт<0)
vn – направление движения электронов
Эффект Томсона
Из соотношения Томсона следует, что эффект Пельте является обратным эффекту Зеебека, Для одного и того же теплоэлемента существует следующая связь между коэффициентами Пельтье и Зеебека:
П=αТ. (9)
Подставляя значение П в формулу (7) для разности температур на концах проводника получаем выражение 2
Т Т 2
R . (10)