Відкриття ефекту Пельтьє

Наукова думка має здатність випереджати час. Відкриття, зроблені вченими, дозволяють майбутнім поколінням, керуючись ними, покращують життя людини, а прилади і пристосування - знаходити нові способи захисту його здоров'я і благополуччя. І явище, відкрите в 1834 році годинникарем Жаном-Шарлем Пельтьє і назване пізніше «Ефектом Пельтьє», не стало винятком. У зв'язку з даною обставиною ефект, що мав місце на початку XIX століття, актуальний і сьогодні.

Можливості його застосування необмежені. Безліч лабораторій і дослідницьких ценҭ ҏ ів займаються розробкою способів його застосування, тому що відкриття, зроблене французьким ученим, дозволяє зробити життя людини комфортним, барвистим, а блага цивілізації - доступними широкому колу споживачів.

У конкретно цій роботі ми розглянемо явище Пельтьє і його застосування. Зробимо: стенд для дослідженнь температуних режимів роботи, термоелектричних перетворювачів, та дослідимо умови, що впливають на підвищення ефективності транспортних структур, шляхом генерування електроенергії з теплових викидів, і навпаки, перетворення струму в тепло (для підігріву сидіння) і холод (для компактних автомобільних холодильників і роботи кондиціонера).

Початок XIX століття ознаменоване «Золотим віком фізики й електротехніки». У 1834 році французький годинникар і натураліст Жан-Шарль Пельтьє експериментував з краплею води, поміщеній на стику двох провідників (вісмуту і сурми). При пропущенні струму в одному напрямку крапля води замерзала, а при зміні напрямку струму - танула. Задавалося, на той момент, що відкрито закони та сили магії. Тим самим було встановлено, що при проходженні струму через контакт двох провідників в одному напрямку тепло виділяється, в іншому - поглинається. До свого здивування, він побачив: що крапля несподівано замерзла, а в зротньому напрямку струму – танула. Дане явище було названо ефектом Пельтьє.

Про теплові дії електричного струму на провідники було відомо, а от зворотний ефект був на кшталт магії. Можна зрозуміти почуття Пельтьє: це явище на стику двох різних областей фізики - термодинаміки і електрики викликає відчуття дива і сьогодні.

Процес перетворення електричної енергії в теплову вперше виявив Жан Пельтьє [12]. Peltier J.C. Nouvelles experiences sur la caloricite des courans electrique // Ann. Phys. Chim., LV1, p. 371 (1834).

Його можна розглядати, як зворотний до ефекту Зеєбека (про який ми опишемо нижче). Ефект Пельтье є основною термоелектричного охолодження.

Рис. 1.1. Приклад реалізації ефекту Пельтьє.

Коли електричний струм проходить через два різнорідні матеріали (метали або напівпровідники), один з яких має два спаї (рис. 1.1), то на одному спаї тепло буде поглинатися, а на іншому – виділятися.

При цьому один спай охолоджується, а другий нагрівається, залежно від напрямку струму. Нагрівання (охолодження) контакту можна розглядати з точки зору поглинання чи випромінювання енергії (рис. 1.2), або ж задавати як потік електронів, що рухаються із напівпровідника в металічні електроди (і навпаки) на їх контакті (рис. 1.3).

Цей процес є оборотним: електричний струм може подаватися через контакт для створення градієнта температури (а отже і теплового потоку), або ж градієнт температури може використовуватися для генерування електричного струму (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Схема поглинання і випромінювання енергії на контактах двох напівпровідників

а) б)

в) г)

Рис. 1.3Схема процесів поглинання (а), (б) та випромінювання (в), (г) теплової енергії з точки зору переходу електронів (б), (г) та дірок (а), (в) через контакти між напівпровідником і металом. EF – енергія Фермі

Δ Et n, p – зміщення енергії Фермі на контакті «метал-напівпровідник», відносно енергії Фермі у металі [13].

Hogan T. “Thermoelectricity” in the Encyclopedia of Physical Science and Technology. Third Edition,

R.A. Meyers, editor-in-chief, San Diego: Academic Press, CA (2001).

Коли струм проходить через коло, тепло поглинається на контакті Т2 і виділяється на контакті Т1, якщо диференційний коефіцієнт Пельтьє –негативний. Теплота Пельтье (Q), яка поглинається на холодному спаю в одиницю часу визначається згідно виразу:

dQ/dt =Пав – І = (Па - Пв)І; (1.1)

де, Па та Пв – коефіцієнти Пельтьє матеріалів A і B, відповідно.

При проведенні одного з експериментів Жан-Шарль Пельтьє пропускав електричний струм через смужку вісмуту, з підключеними до неї мідними провідниками (рис. 1.4). У ході експерименту він виявив, що одне з'єднання вісмут-мідь нагрівається, інше - остигає.

Рис. 1.4 - Схема досліду для вимірювання тепла Пельтьє

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

Тепло Пельтьє пропорційне силі струму і може бути виражено формулою:

Qп = П • q (1.2)

де q - заряд пройшов через контакт, П - так званий коефіцієнт Пельтьє, який залежить від природи контактуючих матеріалів та їх температури. Коефіцієнт Пельтьє може бути виражений через коефіцієнт Томпсона:

П = T (3)

де  - коефіцієнт Томпсона, Т - абсолютна температура.

Необхідно відзначити, що коефіцієнт Пельтьє знаходиться в істотній залежності від температури. Деякі значення коефіцієнта Пельтьє для різних пар металів представлені в таблиці 1.

Таблиця 1.1

Величина тепла Пельтьє, що виділяється і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу його проходження.

Розмірність коефіцієнта Пельтьє [П] СІ = Дж / Кл = В

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 потенційної, а й повної енергії[3]»

На рис. 1.5. і рис. 1.6. зображена замкнута ланцюг, складена з двох різних напівпровідників ПП1 і ПП2 з контактами А і В.

Рис. 1.5. Виділення тепла Пельтьє (контакт А)

Рис. 1.6. Поглинаня тепла Пельтьє (контакт В)

Такий ланцюг, прийнято називати термоелементом, а її гілки - термоелектродами. Через ланцюг проходить струм I, створений зовнішнім джерелом e. Рис. 1.2. ілюструє ситуацію, коли на контакті А (струм тече від ПП1 до ПП2) відбувається виділення тепла Пельтьє Qп (А)> 0, а на контакті В (струм направлений від ПП2 до ПП1) його поглинання –

Qп (В)< 0. У результаті відбувається зміна температур спаїв: ТА> ТВ.

Причина виникнення ефекту Пельтьє на контакті напівпровідників з однаковим видом носіїв струму (два напівпровідника n-типу або два напівпровідника p-типу) така ж, як і у випадку контакту двох металевих провідників. Носії струму (електрони або 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 (Qп> 0) і температура контакту підвищується. При цьому на іншому спаю носії, переходячи в область з більшою енергією, запозичують відсутню енергію від решітки, відбувається поглинання теплоти Пельтьє (Qп < 0) і зниження температури.

Ефект Пельтьє, як і всі термоелектричні явища, виражений особливо сильно в ланцюгах, складених з електронних (n - тип) і діркових (р - тип) напівпровідників. У цьому випадку ефект Пельтьє має інше пояснення.

Розглянемо ситуацію, коли струм в контакті йде від діркового напівпровідника до електронного (р®n). При цьому електрони і дірки рухаються назустріч один одному і, зустрівшись, рекомбінують. В результаті рекомбінації звільняється енергія, яка виділяється у вигляді тепла. Ця ситуація розглянута на рис. 1.7., Де зображені енергетичні зони (ec- зона провідності, ev- валентна зона) для домішкових напівпровідників з дірковою і електронною провідністю.

Рис. 1.7. Виділення тепла Пельтьє на контакті напівпровідників p і n-типу.

На рис. 1.8. (ec - зона провідності, ev - валентна зона) ілюструється поглинання тепла Пельтьє для випадку, коли струм йде від n до p-напівпровідника (n ® p).

Рис. 1.8 - Поглинання тепла Пельтьє на контакті напівпровідників p і n-типу.

Тут електрони в електронному й дірки в дірковому напівпровідниках рухаються в протилежні сторони, йдучи від кордону розділу. Спад носіїв струму в прикордонній області заповнюється за рахунок попарного народження електронів і дірок. На освіту таких пар потрібна енергія, яка поставляється тепловими коливаннями атомів решітки. Утворені електрони і дірки захоплюються в протилежні сторони електричним полем. Тому поки через контакт йде струм, безперервно відбувається народження нових пар. В результаті в контакті тепло буде поглинатися.

Застосування напівпровідників різних типів в термоелектричних модулях представлено на рис. 1.9.

Рис.1.9. Використання напівпровідникових структур в

термоелектричних модулях.

Такий ланцюг дозволяє створювати ефективні охолоджуючі елементи.

Проблема, отримання «чистої енергії» та відводу тепла від пристроїв в XІX не була такою гострою, як сьогодні. Тому до ефекту Пельтьє звернулися тільки через майже два століття, коли з'явилися електронні пристрої, для роботи яких потрібні були мініатюрні системи охолодження.

Перевагою охолоджуючих елементів Пельтьє є малі габарити, відсутність рухомих деталей, можливість каскадного з'єднання для отримання великих перепадів температур.

Крім цього, ефект Пельтьє звернемо: при зміні полярності струму через модуль, охолодження змінюється нагріванням, тому на ньому легко реалізуються системи точного підтримки температури - термостати. Недоліком елементів (модулів) Пельтьє є низький ККД, що вимагає підведення великих значень струму для отримання помітного перепаду температур.