Принцип действия элемента Пельтье основан на эффекте Пельтье, который заключается в том, что при пропускании постоянного электрического тока через спай двух разнородных проводников, происходит перенос энергии от одного проводника спая — к другому, при этом в месте спая выделяется или поглощается тепло.
Количество выделенного или поглощенного в ходе данного процесса тепла, будет пропорционально току, времени его протекания, а также коэффициенту Пельтье, характерному для данной пары спаянных проводников. Коэффициент Пельтье, в свою очередь, равен коэффициенту термо-эдс пары, умноженному на абсолютную температуру спая в текущий момент.
И поскольку эффект Пельтье наиболее выразителен у полупроводников, то данное их свойство и используется в популярных и доступных полупроводниковых элементах Пельтье. С одной стороны элемента Пельтье тепло поглощается, с другой — выделяется. Далее мы рассмотрим это явление более внимательно.
Непосредственно физический эффект Пельтье был открыт в 1834 году французским физиком Жаном Пельтье, а спустя четыре года суть данного явления исследовал русский физик Эмилий Ленц, показавший, что если стержни из висмута и сурьмы привести в плотный контакт, на место контакта капнуть воды, а затем пропустить через спай постоянный ток определенного направления, то если при первоначальном направлении тока вода превратится в лед, значит если направление тока изменить на противоположное, то этот лед быстро растает.
В своем эксперименте Ленц наглядно продемонстрировал, что тепло Пельтье поглощается или выделяется в зависимости от направления тока через спай.
Ниже приведена таблица коэффициентов Пельтье для трех популярных пар металлов. Кстати, эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека (когда при нагревании или охлаждении спаев замкнутой цепи, в этой цепи возникает электрический ток).
Так почему же возникает эффект Пельтье? Причина в том, что в месте контакта двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая порождает контактное электрическое поле между ними.
Если теперь через контакт пропустить электрический ток, то это поле будет либо помогать прохождению тока, либо препятствовать ему. Поэтому, если ток направлен против вектора напряжённости контактного поля, то источник прикладываемой ЭДС должен совершить работу, и энергия источника выделяется в месте контакта — это приведёт к его нагреву.
Если же ток источника будет направлен по контактному полю, то он как бы дополнительно поддержится этим внутренним электрическим полем, и теперь поле совершит дополнительную работу по перемещению зарядов. Эта энергия отбирается у вещества, что в действительности приводит к охлаждению места спая.
Итак, поскольку мы знаем, что в элементах Пельтье используются спаи пар полупроводников, то что за процесс реализован в полупроводниках?
Все просто. Полупроводники отличаются уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При прохождении электрона через место контакта данных материалов, электрон приобретает энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника пары.
При поглощении электроном этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному джоулеву теплу. Если бы вместо полупроводников в элементах Пельтье использовались чистые металлы, то тепловой эффект оказался бы настолько мал, что омический нагрев значительно превзошёл бы его.
Этот процесс связан с переносом носителей заряда (электронов и дырок) через переход между двумя полупроводниками с разной шириной запрещённой зоны и различными энергетическими уровнями. При движении носителей через такую границу часть энергии либо поглощается, либо выделяется, что и приводит к эффектам охлаждения или нагрева.
Кроме того, эффективность эффекта Пельтье напрямую зависит от качества материалов, степени легирования, температуры и интенсивности протекающего тока. В полупроводниках эффективность на порядок выше, чем у металлов, благодаря более выраженной разнице в энергетических свойствах на контактных переходах.
Таким образом, эффект Пельтье — это квантово-механический процесс, в основе которого лежит перенос энергии электронами при прохождении через неоднородные полупроводниковые переходы.
В реальном преобразователе Пельтье, таком например как TEC1-12706, между двумя керамическими подложками установлены несколько параллелепипедов из теллурида висмута и твердого раствора кремния и германия, спаянных между собой в последовательную цепочку. Эти пары полупроводников n- и p-типа соединены проводящими перемычками, которые и контактируют с керамическими подложками.
Каждая пара маленьких полупроводниковых параллелепипедов образует контакт для прохождения тока от полупроводника n-типа – к полупроводнику p-типа — с одной стороны преобразователя Пельтье, и от полупроводника p-типа — к полупроводнику n-типа — с другой стороны преобразователя.
Когда ток проходит через все эти последовательно соединенные параллелепипеды, то с одной стороны все контакты только охлаждаются, а с другой — все только нагреваются. Если полярность источника изменить, то стороны поменяются ролями.
По такому принципу и работает элемент Пельтье или, как его еще называют, термоэлектрический преобразователь Пельтье, где тепло отбирается от одной стороны изделия, и переносится на противоположную его сторону, при этом создается разность температур с двух сторон элемента.
Можно даже дополнительно охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье при помощи радиатора с вентилятором, тогда температура холодной стороны станет ещё ниже. В широко доступных элементах Пельтье разность температур может достигать около 60-69 °C, у TEC1-12706 — до 60 °C по техническим характеристикам производителя.
Для того чтобы проверить исправность элемента Пельтье, достаточно пальчиковой батарейки. Красный провод элемента присоединяется к положительной клемме источника питания, черный — к отрицательной. Если элемент исправен, то с одной стороны будет происходить нагрев, с другой — охлаждение, вы сможете почувствовать это пальцами рук.
Сопротивление обычного элемента Пельтье, такого как TEC1-12706, составляет примерно 2 Ом.
«
Подписывайтесь на наши каналы в Telegram:
Школа для электрика и Электрика, электромонтажные работы
Ответы на самые популярные вопросы по теме статьи
Вопрос: Что такое эффект Пельтье и как он работает?
Ответ: Эффект Пельтье — это явление, при котором при пропускании постоянного электрического тока через контакт (спай) двух разнородных проводников происходит перенос энергии от одного проводника к другому. В результате в месте спая выделяется или поглощается тепло в зависимости от направления тока. Это явление противоположно эффекту Зеебека, при котором нагрев или охлаждение спаев создаёт электрический ток.
Вопрос: Кто открыл эффект Пельтье и когда?
Ответ: Эффект был открыт французским физиком Жаном Пельтье в 1834 году. Спустя четыре года русский физик Эмилий Ленц исследовал это явление и провёл знаменитый эксперимент со стержнями из висмута и сурьмы, показав, что при пропускании тока в одном направлении вода замерзала, а при изменении полярности тока лёд быстро таял. Этот опыт наглядно доказал управляемость тепловыми эффектами с помощью электрического тока.
Вопрос: Почему эффект Пельтье сильнее проявляется в полупроводниках, чем в металлах?
Ответ: Потому что полупроводники имеют более выраженную разницу в энергетических свойствах на контактных переходах. Когда электрон переходит через контакт двух полупроводников, он вынужден менять энергетический уровень. При поглощении энергии происходит охлаждение, при выделении — нагревание. В чистых металлах эти эффекты настолько малы, что их перекрывает обычный джоулев нагрев от сопротивления провода.
Вопрос: Что такое коэффициент Пельтье и от чего он зависит?
Ответ: Коэффициент Пельтье — это характеристика, показывающая, сколько тепла выделяется или поглощается в месте спая при пропускании электрического тока. Он зависит от пары использованных проводников или полупроводников. Коэффициент Пельтье равен коэффициенту термо-эдс (термоэлектродвижущей силы) пары, умноженному на абсолютную температуру спая в данный момент. Разные пары металлов имеют разные коэффициенты.
Вопрос: Почему эффект Пельтье сильнее проявляется в полупроводниках, чем в металлах?
Ответ: Потому что полупроводники имеют разные энергетические уровни электронов и дырок, и эти различия намного больше, чем у обычных металлов. Когда электрон переходит через контакт двух полупроводников, ему нужно либо набрать энергию, либо отдать её. При поглощении энергии происходит охлаждение места контакта, при выделении — нагревание. Если бы использовались чистые металлы, тепловой эффект был бы настолько мал, что его затмила бы обычная джоулева теплота от сопротивления.
Вопрос: Как устроен реальный полупроводниковый элемент Пельтье?
Ответ: Элемент Пельтье состоит из двух керамических подложек, между которыми расположены множество маленьких параллелепипедов из специальных полупроводниковых материалов (обычно теллурида висмута и смеси кремния с германием). Эти полупроводники попарно соединены в последовательную цепочку и связаны проводящими перемычками. Каждая пара состоит из полупроводника n-типа (с избытком электронов) и p-типа (с избытком дырок). Такая конструкция позволяет разместить множество контактов и усилить эффект охлаждения или нагревания.
Вопрос: Почему с одной стороны элемента Пельтье холодно, а с другой горячо?
Ответ: Потому что все контакты между полупроводниками расположены последовательно. Когда ток проходит через эту цепь, все контакты на одной стороне элемента одновременно поглощают тепло (сторона охлаждается), а все контакты на противоположной стороне одновременно выделяют тепло (сторона нагревается). Это создаёт большую разность температур между двумя сторонами элемента.
Вопрос: Что произойдёт, если изменить полярность подключения элемента Пельтье?
Ответ: Функции сторон полностью поменяются местами. Сторона, которая была холодной, станет горячей, и наоборот. Это позволяет использовать один и тот же элемент как для охлаждения, так и для нагревания, просто меняя направление тока. Это уникальное свойство делает элементы Пельтье очень гибким устройством для управления температурой.
Вопрос: Что такое коэффициент Пельтье?
Ответ: Коэффициент Пельтье — это величина, которая характеризует, сколько тепла будет выделено или поглощено при прохождении единицы заряда через спай конкретной пары материалов. Этот коэффициент равен коэффициенту термо-ЭДС, умноженному на абсолютную температуру места контакта в данный момент. Для разных пар металлов или полупроводников коэффициент Пельтье разный. Например, для пары висмут-сурьма он один, а для других материалов — другой.
Вопрос: Как проверить исправность элемента Пельтье?
Ответ: Очень просто! Возьмите обычную пальчиковую батарейку. Подсоедините красный провод элемента к положительной клемме батарейки, а чёрный — к отрицательной клемме. Если элемент исправен, то почувствуете — одна сторона будет холодная, а другая горячая. Можете проверить это пальцами рук. Если эффекта нет или он очень слабый, то элемент неисправен.
Вопрос: Какое сопротивление имеет типичный элемент Пельтье?
Ответ: Сопротивление обычного элемента Пельтье, например популярного модуля TEC1-12706, составляет примерно 2 Ома. Это означает, что при подаче напряжения через элемент будет протекать довольно значительный ток, поэтому элемент нужно подключать через источник питания, способный выдать требуемый ток без проблем.
Вопрос: Какую максимальную разность температур можно получить с помощью элемента Пельтье?
Ответ: В широко доступных элементах Пельтье разность температур может достигать примерно 60-69 градусов Цельсия. Для популярного модуля TEC1-12706 максимальная разность составляет около 60 градусов по данным производителя. Однако это максимальные значения при идеальных условиях. На практике, если дополнительно охлаждать горячую сторону элемента радиатором с вентилятором, температура холодной стороны станет ещё ниже.
Вопрос: Почему в месте контакта двух проводников возникает контактная разность потенциалов?
Ответ: Потому что атомы разных материалов имеют разные способности удерживать электроны. Когда два материала соприкасаются, электроны начинают перераспределяться так, чтобы выравнять энергетические уровни. Это перераспределение создаёт электрическое поле на границе контакта — контактное поле. Это поле либо помогает прохождению тока, либо препятствует ему, в зависимости от направления тока.
Вопрос: Как контактное поле влияет на нагрев или охлаждение места контакта?
Ответ: Если ток направлен против вектора контактного поля, то внешний источник питания должен выполнить дополнительную работу, преодолевая это поле. Энергия источника выделяется в виде тепла в месте контакта — происходит нагревание. Если же ток направлен по направлению контактного поля, то внутреннее поле помогает движению зарядов, совершая дополнительную работу. Эта энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению места контакта.
Вопрос: Что такое обратный эффект Пельтье — эффект Зеебека?
Ответ: Эффект Зеебека — это противоположный процесс. Если нагревать или охлаждать места контактов замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников, то в этой цепи будет возникать электрический ток. То есть вместо использования электричества для создания разности температур (как в эффекте Пельтье), используется разность температур для генерирования электричества (как в эффекте Зеебека). Оба эффекта связаны между собой и основаны на одних и тех же физических процессах.
Вопрос: Почему элементы Пельтье используют в системах охлаждения компьютеров и других приборов?
Ответ: Потому что они позволяют быстро отводить тепло с необходимого участка и переносить его на другую сторону, где оно затем отводится в окружающую среду через радиатор и вентилятор. Элементы Пельтье имеют ряд преимуществ: они компактны, надёжны, нет движущихся деталей, они обратимы (могут работать как охладители или нагреватели), и можно точно регулировать температуру, изменяя силу подаваемого тока. Однако они потребляют довольно много электроэнергии по сравнению с получаемым охлаждением.
Андрей Повный