Эффект Пельтье магическое действие электрического тока

Модуль на элемент Пельтье интересное применение.

Начнём с ликбеза

Как говорит википедия «Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.» Я уверен что после этой фразы понятнее не стало ).

Ок попробуем иначе. Представьте себе специфический аквариум, состоящий из зон двух типов. В первой зоне аквариума рыбки плавают быстро во второй медленно. Ещё представим себе на границах зон лопасти, крутящиеся в воде. Правила следующие 1) рыбка переплывает в другую зону только тогда когда её скорость соответствует скорости установленной для зоны.2) при переходе границ зоны рыбка может взаимодействовать с лопастями для увеличения либо для уменьшения своей скорости. Теперь представим несколько зон расположенных последовательно. (зоны с более высокой скоростью назовём З+ с низкой З- ) Рыбка находится в З+ она хочет перейти в З- она взаимодействует с лопастью на границе и начинает плыть медленнее, при этом лопасти (на границе З+/З-) начинают крутиться быстрее. Далее рыбка хочет перейти в следующую зону З+ ей надо ускориться она взаимодействует с лопастью на границе З-/З+ и ускоряется при этом лопасть начинает крутиться медленнее. Далее всё повторяется. Можно заметить что одни лопасти будут замедлятся а другие ускорятся. Элемент Пельтье работает по аналогичному принципу. Вместо рыбок там электроны вместо скорости рыбок энергия электронов в полупроводниках. При протекании тока через контакт 2х полупроводников, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников,

А теперь весёлая часть.
Находим металлическую и блестящую пластину и делаем в ней отверстие для термопары.Кладём термопасту и устанавливаем термопаруДалее изготавливаем узконаправленный фотоприёмник и фотодиод из чёрной бумаги и обычных компонентовСобираем готовое устройство вспоминая правило «угол падения равен углу отражения»Кто догадался что это такое? Это прибор (ну точнее модель для демонстрации принципа действия) для определения температуры точки росы/относительной влажности воздуха. Действует следующим образом: ИК-светодиод светит в отражающую пластинку, после отражения свет от ИК-светодиода попадает на ИК-фотодиод. С обратносмещённого ИК-фотодиода снимается сигнал напряжения. При охлаждении пластинки до температуры точки росы на ней начинает собираться конденсат, интенсивность отражаемого излучения падает, сигнал на фотодиоде изменяется. Регистрируя температуру пластины, и окружающего воздуха можно найти относительную влажность. Для работы я использовал Brymen BM869 (с самодельным кабелем и софтом) и Uni-t UT61E Ниже представлен результат Рыжий график температура пластины, синий график сигнал с фотодиода. Будем считать момент, когда напряжение с фотодиода изменилось на половину от общего изменения напряжения есть момент выпадения конденсата. Исходя из поставленных условий измеренная температура точки росы в комнате +9С.Температура окружающего воздуха 26,7 (на графиках не отображалась т.к. она была неизменна).Одновременно я запустил модуль HTU21 и наблюдал за показаниями в терминале.(скриншот терминала добавлен к графику).Далее я использовал онлайн калькулятор planetcalc.ru/248/ для пересчёта влажности в температуру точки росы Результат пересчёта влажности с HTU21 в температуру точки росы совпал с измеренной напрямую температурой точки росы. Это значит, что если описанным выше методом определять точку росы, а затем делать пересчёт, то можно достаточно точно определять влажность (Ну естественно если делать всё по-взрослому). Данный метод называется методом охлаждаемого зеркала, а гигрометры, построенные на таком принципе, называются конденсационными. Надеюсь вам понравился обзор, и Вы узнали для себя что-то новое

Всем спасибо за внимание

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Эффект пельтье

Эффект Пельтье для компенсации тепловыделений в реакционных камерах используется в многочисленных вариантах микрокалориметров.
 

Эффект Пельтье также подчиняется правилу аддитивности.
 

Эффект Пельтье был открыт, хотя и неправильно истолкован, французским часовщиком Пельтье, который в 1834 г. опубликовал описание этого явления. Физический процесс, получивший по имени автора название эффекта Пельтье, заключается в следующем.
 

Эффект Пельтье ( см. § 87) также выражен у полупроводниковых батарей значительно резче, чем у металлических. Поэтому полупроводниковые холодильники оказываются экономически выгодными. Устройство такого холодильника очень простое. В стенку теплоизолированного шкафа вмонтирована полупроводниковая термобатарея, у которой все охлаждающиеся ( при пропускании тока) спаи находятся внутри шкафа, а все нагревающиеся спаи — снаружи. Внутренние спаи охлаждают воздух в холодильнике, а наружные спаи нагревают окружающую среду. На этом принципе устроен, например, бытовой холодильник Днепр. Очевидно, что при пропускании тока через термобатарею холодильника в противоположном направлении холодильник превратится в нагревательную установку — сушильный шкаф.
 

Эффект Пельтье, открытый в 1834 г., заключает.
 

Эффект Пельтье проявляется при прохождении тока через площадку соприкосновения контактов из разнородных материалов и обусловлен появлением контактной разности потенциалов, вследствие чего изменяется энергия свободных электронов.
 

Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека. При прохождении тока через спай различных проводников кроме джоулева тепла выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество тепла Qn, пропорциональное протекающему через контакт заряду ( т.е. силе тока / и времени t) Qn Hit, где П — коэффициент Пельтье, который зависит от природы находящихся в контакте материалов.
 

Эффект Пельтье, заключающийся в перекачивании некоторого количества тепла от горячего спая к холодному, как бы увеличивает теплопроводность термоэлемента.
 

Эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека.
 

Эффект Пельтье, заключающийся в перекачивании некоторо го количества теплоты от теплопоглощающего спая к тепловыделяющему, как бы увеличивает теплопроводность термоэлемента.
 

Эффект Пельтье в контактах полупроводников успешно используют для устройства термоэлектрических холодильников.
 

Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов

Коэффициент
Пельтье, представляющий собой важную
техническую характеристику материала,
как правило, не измеряют, а вычисляют
через коэффициент Томсона: П = t x T, где
П — коэффициент Пельтье, t — коэффициент
Томсона, T — абсолютная температура.

Открытие
эффекта Пельтье оказало большое влияние
на последующее развитие физики, а затем
и различных областей техники.

Классическая
теория объясняет явление Пельтье тем,
что электроны, переносимые током из
одного металла в другой, ускоряются или
замедляются под действием внутренней
контактной разности потенциалов между
металлами. В первом случае кинетическая
энергия электронов увеличивается и
выделяется в виде тепла. Во втором случае
кинетическая энергия электронов
уменьшается, и эта убыль энергии
пополняется за счет тепловых колебаний
атомов второго проводника, в результате
чего происходит охлаждение. Более полная
теория учитывает изменение не потенциальной
энергии при переносе электрона из одного
металла в другой, а полной энергии.

Эффект
Пельтье, как и многие термоэлектрические
явления, особенно сильно выражен в
цепях, составленных из полупроводников
с электронной (n-тип) и дырочной
проводимостью (p-тип). Такие полупроводники,
как известно, называются соответственно
полупроводниками n- и p-типа.

Рассмотрим
термоэлектрические процессы, происходящие
при контакте таких полупроводников.
Допустим, направление электрического
поля таково, что электроны в электронном
и дырки в дырочном полупроводнике будут
двигаться навстречу друг другу. Электрон
из свободной зоны полупроводника n-типа
после прохождения через границу раздела
попадает в заполненную зону полупроводника
p-типа и там рекомбинирует с дыркой. В
результате рекомбинации высвобождается
энергия, которая выделяется в контакте
в виде тепла (рис. 1).

Рис.
1. Выделение тепла Пельтье в контакте
полупроводников n- и p-типа.

При
изменении направления электрического
поля на противоположное электроны и
дырки в полупроводниках соответствующего
типа будут двигаться в противоположные
стороны. Дырки, уходящие от границы
раздела, будут пополняться в результате
образования новых пар при переходах
электронов из заполненной зоны
полупроводника p-типа в свободную. На
образование таких пар требуется энергия,
которая поставляется тепловыми
колебаниями атомов решетки. Электроны
и дырки, образующиеся при рождении таких
пар, увлекаются электрическим полем в
противоположные стороны. Поэтому пока
через контакт идет ток, непрерывно
происходит рождение новых пар, и в
результате в контакте поглощается тепло
(рис. 2).

Рис.
2. Поглощение тепла Пельтье в контакте
полупроводников n- и p-типа.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.
Также достоинством является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Особенности элемента Пельтье

К особенностям элемента на основе биметаллических пар следует отнести:

• Компактность. По сравнению с термоэлектрическим эффектом, которым обладает устройство, элемент Пельтье имеет незначительные габариты, но при этом позволяет на десятки градусов понизить температуру микропроцессора, что существенно упрощает системы охлаждения.
• Не требует использования вентиляторов. Благодаря отсутствию движущихся и вращающихся компонентов все устройство не создает лишнего шума и помех, которые могут сильно повлиять на работу компонентов.
• Благодаря каскадному соединению нескольких термоэлементов можно добиться повышенной эффективности охлаждения процессора с минимальными затратами.
• Кроме охладителя, элемент Пельтье можно также использовать в качестве устройства экстренного нагрева, если поменять полярность на обкладках.

Термоэлектрический охладитель Пельтье

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К/

Описание
Элемент пельтье представляет из себя термоэлектрический преобразователь, который при подаче напряжения способен создать разность температур на пластинах, то есть перекачать тепло или холод. Представленный элемент Пельтье применяется при охлаждении компьютерных плат (при условии эффективного отведения тепла), для охлаждения или нагрева воды. Так же элементы Пельтье используются в переносных и автомобильных холодильниках.

Элемент Пельтье, работающий от 12 Вольт.

•Для нагрева необходимо просто поменять полярность.
•Размеры пластины Пельтье: 40 х 40 х 4 миллиметра.
•Рабочий диапазон температур: от -30 до +70?..
•Рабочее напряжение: 9-15 Вольт.
•Потребляемая сила тока: 0.5-6 А.
•Максимальная потребляемая мощность: 60 Вт.
Забавная вещица, подключаем 12v +- холодит меняем полярность греет. Используется во многих авто холодильниках, во всяком случае у меня такой. Можно приделать компактную схему в бардачок что б летом шоколад не таял! Для использования и эффективного применения нужно использовать радиатор охлаждения — в качестве теста применил радиатор от компьютерного процессора, можно с куллером. Чем лучше охлаждение тем эффект Пельтье сильнее и эффективнее. При подключении к авто акб на 12v ток потребления составил 5 ампер. Одним словом элемент прожорлив. Так как еще не собрал всё схему, а провел лишь пробные тесты, без приборных замеров температур. Так при режиме охлаждения в течении 10ти минут появилась легкая изморозь. В режиме подогрева вода в металлической чашки закипела. Эффективность конечно же этого охладителя низка, но цена девайса и возможность по экспериментировать делают покупку оправданной. Остальное на фото