1. Эффект Пельтье.

Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, который заключается в том, что при прохождении постоянного электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в местах контактов (спаев) в зависимости от направления тока выделяется или поглощается тепло. Разнородность проводников определяется различием величин равновесной энергии носителей заряда в этих проводниках. Чем больше разность этих величин, тем сильнее проявляется эффект Пельтье, т.е. тем больше выделяется или поглощается тепла.

Коэффициент, отражающий указанное качество проводников, называется коэффициентом Пельтье и определяется свойствами материалов проводников. Тепло, выделяемое или поглощаемое в единицу времени, определяется формулой

= I,

где Q_П - тепло Пельтье; П - коэффициент Пельтье; I - сила тока.

Между коэффициентами Пельтье и Зеебека существует соотношение, определенное Томсоном следующим образом:

П = T.

На рис.1.3 представлена цепь, состоящая из двух разнородных проводников а и b, образующих термоэлемент. Проводники а и b называются ветвями термоэлемента.

Рис.1.3 - Схема термоэлемента Пельтье

Эффект Пельтье достигает максимального значения при использовании в качестве материала ветвей термоэлемента полупроводниковых соединений различных типов проводимости. На рис.1.4 показана схема полупроводникового термоэлемента Пельтье. Если через этот термоэлемент пропустить ток в указанном направлении, то на спае 1 (холодном) будет поглощаться тепло Пельтье , а на спае 2 (горячем) - выделяться тепло Пельтье . Температуры холодного и горячего спаев обозначены соответственно Т_х и Т_г.

Рис.1.4 - Схема полупроводникового термоэлемента

Причина возникновения эффекта Пельтье состоит в следующем. Внешнее электрическое поле переносит носители заряда из одного проводника в другой, а так как равновесная энергия носителей заряда в обоих материалах этих проводников различна, то носители заряда, пришедшие из другого материала через спай, имеют избыток или недостаток энергии по сравнению с остальными носителями в данном материале. В результате этот избыток (или недостаток) энергии отдается решетке (или пополняется за счет решетки), из-за чего температура спая соответственно растет или падает.

Выделение или поглощение тепла происходит непосредственно вблизи контактов двух проводников, так как тепловое равновесие наступает в результате небольшого числа соударений носителей тока с атомами решетки.

2. Эффект Томсона.

Если вдоль однородного проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, то в объеме проводника, кроме тепла Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, тепло Томсона Q_ (рис.1.5):

Q_ = _T IT,

где _T - коэффициент Томсона, причем _T > 0, если направления градиента температуры и тока совпадают, _T < 0, если не совпадают.

Рис.1.5 - Эффект Томсона

Коэффициент Томсона связан с коэффициентом Зеебека следующим соотношением:

_T = T(d/dT) .

Необходимо отметить, что все три рассмотренных термоэлектрических эффекта являются обратимыми, так как они меняют знак при изменении направления градиента температуры или при изменении направления тока.

В термоэлектрической цепи одновременно возникают и необратимые явления теплопроводности и выделения джоулевой теплоты.