
Эффект Пельтье
.docВыполнил студент группы АТ-11
Мухарлямов Ильдар
Эффект Пельтье
Вход: электрический ток.
Выход: количество теплоты, температура.
Сущность
При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло. Тепло Пельтье, выделенное или поглощенное в слое, пропорционально полному заряду, прошедшему через спай, или произведению силы тока на время. Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.
Наиболее сильно
эффект Пельтье проявляется на контактах
полупроводников с различным типом
проводимости (р
или n)
(см. рис.).
Объяснение эффекта Пельтье заключается
во взаимодействие электронов проводимости,
замедлившихся или ускорившихся в
контактном потенциале р-n
перехода, с тепловым колебаниями атомов
в массив полупроводника. В результате,
в зависимости от направления движения
электронов и соответственно тока,
происходит нагрев ()
или охлаждение (Тс)
участка
полупроводника, непосредственно
примыкающего к спаю (р-n
или n-p
переходу).
Математическое описание
,
Где
- тепло Пельтье, Дж
П – коэффициент Пельтье;
q – заряд, прошедший через контакт, Кл;
I - Ток в проводнике, А;
t – время, с.
Тепло Пельтье меняет знак при перемене направления тока. Пределы изменения параметров:
до
1 В – полупроводник;
I –до нескольких ампер;
Q – от 0 до 50 Дж (за 1 сек.)
Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томсона:
q
T,
Где
Томсона;
Т – коэффициент температуры, К.
Применение
Модуль Пельтье Примечателен тем, что при прохождении через него электрического тока представляет собой термонасос, т.е. перекачивает тепло с одной стороны на другую, благодаря чему активно используется в различных системах охлаждения, от холодильников для напитков, до систем охлаждения мощных полупроводниковых лазеров и различных чипов, особенно там, где нужно ускорить процесс забора тепла от нагревающегося элемента. Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.
Для увеличения отношения сигнал/ шум фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) предлагается способ охлаждения фотокатодов термоэлектрическими элементами, расположенными внутри вакуумной оболочки ФЭУ (Пат. 3757151 США).
Устройство для отбора газа, в котором отвод конденсата составляет одно целое с холодильником. На внутренней стороне полого конуса закреплены холодные спаи элементов Пельтье и от него ответвляется трубопровод для отбора измерительного газа. Холодильник отличается тем, что в качестве генератора тока, потребляемого элементами Пельтье, предусмотрена батарея термоэлементов, горячие спаи которых находятся в канале дымовых газов, а холодные спаи – во внешнем пространстве (Заявка 1297У02 ФРГ).
Изображение устройства
Плюсы и минусы применения ТЭМ
Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:
-
сравнительно небольшие габариты;
-
возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;
-
отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.
В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:
-
низкий КПД модулей;
-
необходимость наличия источника тока для их работы;
-
большая потребляемая мощность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло-выделение;
-
ограниченные габариты
Контрольные вопросы:
-
В чем сущность эффекта Пельтье?
(При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло.)
-
От чего зависит коэффициент Пельтье?
(Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.)
-
Какие проводники используется в эффекте Пельтье?
Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (р или n)
-
Как связан коэффициент Пельтье, с коэффициентом Томсона?
q
T,
Где
Томсона;
Т – коэффициент температуры, К.
-
Основные применение эффекта?
(Используется в различных системах охлаждения)
Задачи:
-
Найти коэффициент Пельтье, зная что ток равный 10 А прошел за 3 секунды и выделил 50 Дж тепла.
-
Чему будет равен коэффициент Томсона, если заряд равен 70 Кл, а абсолютная температура равна 300 К. Коэффициент Пельтье равен 1,7 В.
Решение:
-
Найти заряд через коэффициент Томсона, если известна абсолютная температура равная 400 К, коэффициент Пельтье равное 4 Дж, где
=const (коэффициент Томсона).
-
Сколько выделится тепла в местах контакта разнородных проводников, если коэффициент Пельтье равен 73 мВ, а заряд прошедший через термомодуль равен 40 Кл.
Решение: Qп=П*q=2.92 (Дж).
-
Найти время за которое пройдет ток в проводнике зная, что напряжение 120 В, сопротивление 10 Ом. При этом выделяется 1 Дж тепла, а коэффициент Пельтье равен 60 мВ.