Ефект Пельтьє

Понеділок, 07 лютого 2011, 12:25

 

Відкриття ефекту Пельтьє

 

Ефект Пельтьє був відкритий французом Жаном-Шарлем Пельтьє в 1834 році. При проведенні одного з експериментів він пропускав електричний струм через смужку вісмуту, з підключеними до неї мідними провідниками. У ході експерименту він виявив, що одне з'єднання вісмут-мідь нагрівається, інше - остигає.

Сам Пельтьє не розумів в повній мірі сутність відкритого ним явища. Справжній сенс явища був пізніше пояснений в 1838 році Ленцем.

У своєму досліді Ленц експериментував з краплею води, поміщеною на стику двох провідників (вісмуту і сурми). При пропусканні струму в одному напрямку крапля води замерзала, а при зміні напрямку струму - танула. Тим самим було встановлено, що при проходженні струму через контакт двох провідників в одному напрямі тепло виділяється, в іншому - поглинається. Дане явище було названо ефектом Пельтьє.

Пояснення ефекту Пельтьє

 

Тепло Пельтьє пропорційне силі струму і може бути виражене формулою:

Q_п = П · q

де q – заряд, який пройшов через контакт, П - так званий коефіцієнт Пельтьє, який залежить від природи контактуючих матеріалів та їх температури.

Величина тепла, що виділяється внаслідок ефекту Пельтьє, і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу його проходження. Класична теорія пояснює явище Пельтьє тим, що при переносі електронів струмом з одного металу в іншій, вони прискорюються або сповільнюються внутрішньою контактною різницею потенціалів між металами. У разі прискорення кінетична енергія електронів збільшується, а потім виділяється у вигляді тепла. У зворотному випадку кінетична енергія зменшується і енергія поповнюється за рахунок енергії теплових коливань атомів другого провідника, таким чином він починає охолоджуватися. При більш повному розгляді враховується зміна не тільки потенціальної, а й повної енергії.

Причина виникнення ефекту Пельтьє на контакті напівпровідників з однаковим видом носіїв струму (два напівпровідника N-типу або два напівпровідника р-типу) така ж, як і у випадку контакту двох металевих провідників. Носії струму (електрони чи дірки) по різні сторони спаю мають різну середню енергію, яка залежить від багатьох причин: енергетичного спектру, концентрації, механізму розсіяння носіїв заряду. Якщо носії, пройшовши через спай, потрапляють в область з меншою енергією, вони передають надлишок енергії кристалічній решітці, в результаті чого поблизу контакту відбувається виділення теплоти Пельтьє і підвищується температура контакту. При цьому на іншому спаї носії, переходячи в область з більшою енергією, запозичують відсутню енергію від ґраток, відбувається поглинання теплоти Пельтьє і зниження температури.

Ефект Пельтьє, як і всі термоелектричні явища, виражений особливо сильно в ланцюгах, складених з електронних (п - тип) і діркових (р - тип) напівпровідників.

 

Застосування ефекту Пельтьє Модулі Пельтьє

 

Об'єднання великої кількості пар напівпровідників р- і N-типу дозволяє створювати охолоджуючі елементи - модулі Пельтьє порівняно великої потужності. Модуль Пельтьє, являє собою термоелектричний холодильник, що складається з послідовно з'єднаних напівпровідників р- і N-типу, що утворюють р- та NP-переходи. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з одним із двох радіаторів. У результаті проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтьє: один радіатор працює як холодильник, інший радіатор нагрівається і служить для відводу тепла.

Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад, який становить кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні радіатора, що нагрівається, другий радіатор - холодильник, дозволяє досягти від'ємних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтьє при забезпеченні адекватного їх охолодження. Це дозволяє порівняно простими засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються.

Пристрої охолодження на основі модулів Пельтьє часто називають активними холодильниками Пельтьє або просто кулерами Пельтьє.

Використання модулів Пельтьє в активних кулерах робить їх істотно більш ефективними в порівнянні зі стандартними типами кулерів на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Однак у процесі конструювання та використання кулерів з модулями Пельтьє необхідно враховувати ряд специфічних особливостей, що випливають з конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури сучасних апаратних засобів комп'ютерів і функціональних можливостей системного та прикладного програмного забезпечення.

Томсона эффект в металлах

Объемное выделение или поглощение тепла в проводнике при совместном действии электрического тока и градиента температуры

Анимация

Описание

Эффект Томсона относится к термоэлектрическим эффектам и заключается в следующем: при пропускании электрического тока через проводник, вдоль которого существует градиент температуры, в проводнике (даже однородном), помимо джоулева тепла, в зависимости от направления тока будет выделяться или поглощаться дополнительное количество тепла (теплота Томсона).

Неравномерное нагревание первоначально однородного проводника меняет его свойства, делая проводник неоднородным. Поэтому явление Томсона  это, в сущности, своеобразное явление Пельтье с той разницей, что неоднородность вызвана не различием химического состава проводника, а неодинаковостью температуры.

Опыт и теоретические расчеты показывают, что явление Томсона подчиняется следующему закону: 

 

,

 

где   - тепло Томсона, выделяющееся (или поглощающееся) за единицу времени в единице объема проводника (удельная тепловая мощность);

j - плотность тока, текущего через проводник;

 - градиент температуры вдоль проводника;

t - коэффициент Томсона, зависящий от природы металла и его температуры.

 

Приведенная выше формула (так называемая дифференциальная форма закона) может быть применена к отрезку проводника x, вдоль которого течет ток I и имеется некоторый перепад температур:

 

.

 

Закон Томсона в интегральной форме определяет полное количество тепла Томсона Q, выделившееся (или поглотившееся) во всем рассматриваемом объеме проводника (DV=SDx) за время t: 

 

.

 

При этом эффект Томсона считается положительным, если электрический ток, текущий в направлении градиента температуры (I ­­ dT/dx), вызывает нагревание проводника (Qt>0), и отрицательным, если при том же направлении тока происходит охлаждение проводника (Qt<0).

 

Qt= tЧDT ЧIЧ t.

 

Для объяснения эффекта Томсона необходимо рассмотреть влияние двух факторов. Первый фактор учитывает изменение средней энергии электронов вдоль проводника из-за его неравномерного нагрева (см. рис. 1a и 1б).

 

Выделение тепла Томсона при параллельности тока и градиента темперптуры в образце

 

 

Рис. 1а

 

Поглощение  тепла Томсона при антипараллельности тока и градиента темперптуры в образце

 

 

Рис. 1б

 

Пусть Т1>Т2, т.е. градиент температуры направлен от точки 2 к точке 1. В более нагретой части проводника (1) средняя энергия электронов больше, чем в менее нагретой (2). Поэтому, если направление тока в металле (М) соответствует движению электронов от горячего конца к холодному (рис. 1a), то электроны передают свою избыточную энергию кристаллической решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона (Qt>0).

При обратном направлении тока (рис. 1б) электроны, двигаясь от холодного конца (2) к нагретому (1), будут пополнять свою энергию за счет решетки, что приведет к поглощению соответствующего количества теплоты (Qt<0).

Для более точного описания явления необходимо учесть второй фактор, который связан с электрическим полем термоэдс, возникающим в условиях неоднородности температуры (рис. 2а и 2б).

 

Охлаждение проводника при торможении электронов диффузионным электрическим полем пространственного заряда

 

 

Рис. 2а

 

Нагрев проводника при ускорении  электронов диффузионным электрическим полем пространственного заряда

 

 

Рис. 2б

 

Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осуществляется  в основном движением электронов проводимости (е). Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры (от 1 к 2). В результате концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет электрическое поле ЕТ, направленное от 1 к 2, т.е. против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов. Если теперь через проводник пропустить ток I от внешнего источника в направлении градиента температуры (рис.1a и рис. 2a), то электрическое поле ЕТ (связанное с термоэдс) будет тормозить электроны, что приводит к охлаждению участка 1-2 (Qt<0).

На рис. 2б изображена обратная ситуация: электрическое поле термоэдс ЕТ ускоряет электроны проводимости, в результате чего на участке проводника 1-2  происходит выделение тепла Томсона (Qt>0).

Таким образом, сравнение рисунков 1a - 2a и 1б - 2б показывает, что рассмотренные факторы действуют в противоположных направлениях, определяя не только величину, но и знак t и Qt. Величина коэффициента Томсона для большинства металлов довольно мала и не превышает t » 10-5 В/К.

Эффект Томсона, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер.

Коэффициент Томсона связан с коэффициентами Пельтье p и термоэдс a соотношением Томсона:

 

.

 

Из измерений коэффициента Томсона можно определить коэффициент термоэдс одного материала, а не разность коэффициентов двух материалов, как при непосредственном измерении a  и p. Это позволяет, измерив t и определив из него a. в одном из металлов, получить абсолютную термоэлектрическую  шкалу.

Эффект Томсона не имеет технического применения, однако его необходимо учитывать в точных расчетах термоэлектрических устройств.

Эффект был описан и открыт в 1854 г. Вильямом Томсоном, который развил термодинамическую теорию термоэлектричества.

 

Томсона эффект в полупроводниках

Объемное выделение или поглощение тепла в полупроводнике при совместном действии электрического тока и градиента температуры

Анимация

Описание

Эффект Томсона относится к термоэлектрическим эффектам и заключается в следующем: при пропускании электрического тока через полупроводник (или проводник), вдоль которого существует градиент температуры, в нем, помимо джоулева тепла, в зависимости от направления тока будет выделяться или поглощаться дополнительное количество тепла (теплота Томсона).

Неравномерное нагревание первоначально однородного образца меняет его свойства, делая вещество неоднородным. Поэтому явление Томсона  это, в сущности, своеобразное явление Пельтье с той разницей, что неоднородность вызвана не различием химического состава образца, а неодинаковостью температуры.

Опыт и теоретические расчеты показывают, что явление Томсона подчиняется следующему закону: 

 

,

 

где   - тепло Томсона, выделяющееся (или поглощающееся) за единицу времени в единице объема полупроводника  (удельная тепловая мощность);

j - плотность тока;

 - градиент температуры вдоль образца;

t - коэффициент Томсона, зависящий от природы полупроводника и его температуры.

 

Приведенная выше формула (так называемая дифференциальная форма закона) может быть применена к отрезку образца x, вдоль которого течет ток I и имеется некоторый перепад температур:   (см. рис. 1).

 

Полупроводник со смешанной проводимостью

 

 

Рис. 1

 

Закон Томсона в интегральной форме определяет полное количество тепла Томсона Qt , выделившееся (или поглотившееся) во всем рассматриваемом объеме полупроводника (DV=SЧDx) за время t. 

 При этом эффект Томсона считается положительным, если электрический ток, текущий в направлении градиента температуры (I ­­ dT/dx), вызывает нагревание полупроводника (Qt>0), и отрицательным, если при том же направлении тока происходит его охлаждение (Qt<0).

Объяснение явления Томсона для полупроводников с одним типом носителей (электроны или дырки) аналогично случаю металлических проводников. Во-первых, необходимо учесть изменение средней энергии носителей заряда вдоль образца из-за его неравномерного нагрева. В более нагретой части полупроводника средняя энергия электронов (или дырок) больше, чем в менее нагретой. Поэтому, если направление тока в полупроводнике соответствует движению носителей тока от горячего конца к холодному, то они будут передавать свою избыточную энергию кристаллической решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона (Qt>0).

При обратном направлении тока носители заряда, двигаясь от холодного конца к нагретому, будут пополнять свою энергию за счет решетки, т.е. происходит  поглощение соответствующего количества теплоты (Qt<0).

В полупрводниках со смешанной проводимостью при наличии тока электроны и дырки движутся навстречу друг другу, и переносимые ими тепловые потоки будут компенсироваться. Так, на  рис. 1 дырки движутся от горячего конца к холодному, что при отсутствии электронной проводимости должно приводить к выделению тепла Томсона. Однако с движением электронов (от холодного конца к горячему) связано поглощение тепла. В результате, при равенстве концентраций и подвижностей электронов и дырок тепло Томсона не выделяется ( Qt=0 ).