Початок 19 століття. Золоте століття фізики й електротехніки. У 1834 році французький годинникар і натураліст Жан-Шарль Пельтьє помістив краплю води між електродами з вісмуту і сурми, а потім пропустив по ланцюгу електричний струм. До свого здивування, він побачив, що крапля несподівано замерзла.
Про тепловій дії електричного струму на провідники було відомо, а ось зворотний ефект був на кшталт магії. Можна зрозуміти почуття Пельтьє: це явище на стику двох різних областей фізики - термодинаміки та електрики викликає відчуття дива і сьогодні.
Проблема охолодження тоді 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 точної підтримки температури - термостати . Недоліком елементів (модулів) Пельтьє є низький ККД, що вимагає підведення великих значень струму для отримання помітного перепаду температур. Складність представляє і відведення тепла від пластини, протилежної охлаждаемой площині.
Але про все по-порядку. Для початку спробуємо розглянути фізичні процеси, відповідальні за спостережуване явище. Чи не занурюючись в пучину математичних викладок, постараємося просто на «пальцях» зрозуміти природу цього цікавого фізичного явища.
Оскільки йдеться про температурні явищах, фізики, для зручності математичного опису, замінюють коливання атомної решітки матеріалу якимсь газом, що складається з як би частинок - фононів.
Температура фононного газу залежить від температури навколишнього середовища і властивостей металу. Тоді будь-який метал - це суміш електронного і фононного газів, що знаходяться в термодинамічній равновесіі.Прі контакті двох різних металів у відсутності зовнішнього поля більш" гарячий" електронний газ проникає в зону більш" холодного", створюючи відому всім контактну різницю потенціалів.
При прикладанні різниці потенціалів до переходу, тобто протіканні струму через кордон двох металів, електрони забирають енергію у фононів одного металу і передають її фонони газу іншого. При зміні полярності передача енергії, а значить, нагрівання та охолодження змінюють знак.
У напівпровідниках за перенесення енергії відповідають електрони і" дірки", але механізм переносу тепла і появи різниці температур зберігається. Різниця температур збільшується до тих пір, поки не виснажаться високоенергетичних електрони. Настає температурну рівновагу. Така сучасна картина опису ефекту Пельтьє .
З неї зрозуміло, що ефективність роботи елемента Пельтьє залежить від підбору пари матеріалів, сили струму і швидкості відводу тепла від гарячої зони. Для сучасних матеріалів (як правило, це напівпровідники) ККД становить 5-8%.
А тепер про практичне застосування ефекту Пельтьє. Для його збільшення окремі термопари (спаї двох різних матеріалів) збираються в групи, що складаються з десятків і сотень елементів. Основне призначення таких модулів - це охолодження невеликих об'єктів або м...
