Mô-đun nhiệt điện Peltier - thiết bị, nguyên lý hoạt động, đặc điểm

Hiện tượng xuất hiện nhiệt-EMF được phát hiện bởi nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821. Và hiện tượng này bao gồm trong thực tế là trong một mạch điện kín gồm các dây dẫn không đồng nhất được nối tiếp, với điều kiện là các tiếp điểm của chúng ở nhiệt độ khác nhau, EMF xảy ra.

Hiệu ứng này, được đặt tên theo người phát hiện ra nó, hiệu ứng Seebeck, giờ đây được gọi đơn giản là hiệu ứng nhiệt điện.

Nếu mạch chỉ bao gồm một cặp dây dẫn không giống nhau, thì mạch như vậy được gọi là cặp nhiệt điện. Trong một xấp xỉ đầu tiên, có thể lập luận rằng cường độ của nhiệt điện chỉ phụ thuộc vào vật liệu của dây dẫn và vào nhiệt độ của các tiếp xúc lạnh và nóng. Do đó, trong một phạm vi nhiệt độ nhỏ, nhiệt-EMF tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ giữa các tiếp xúc lạnh và nóng và hệ số tỷ lệ trong công thức được gọi là hệ số nhiệt-EMF.

Vì vậy, ví dụ, ở nhiệt độ chênh lệch 100 ° C, ở nhiệt độ tiếp xúc lạnh là 0 ° C, một cặp đồng-hằng số có nhiệt độ-EMF là 4,25 mV.

Trong khi đó Hiệu ứng nhiệt điện dựa trên ba thành phần:

Yếu tố đầu tiên là sự khác biệt về các chất khác nhau trong sự phụ thuộc của năng lượng electron trung bình vào nhiệt độ. Kết quả là, nếu nhiệt độ của dây dẫn ở một đầu cao hơn, thì các electron thu được tốc độ cao hơn ở đó so với các điện tử ở đầu lạnh của dây dẫn.

Nhân tiện, nồng độ của các electron dẫn cũng tăng trong chất bán dẫn khi đun nóng. Các electron lao đến đầu lạnh ở tốc độ cao, và một điện tích âm tích tụ ở đó, và một điện tích dương không bù được thu được ở đầu nóng. Vì vậy, có một thành phần của EMF nhiệt, được gọi là EMF thể tích.

Yếu tố thứ hai là đối với các chất khác nhau, sự khác biệt tiềm năng tiếp xúc phụ thuộc vào nhiệt độ khác nhau. Điều này là do sự khác biệt về năng lượng Fermi của từng dây dẫn tiếp xúc. Sự khác biệt tiềm năng tiếp xúc phát sinh trong trường hợp này tỷ lệ thuận với chênh lệch năng lượng Fermi.

Một điện trường thu được trong một lớp tiếp xúc mỏng, và sự khác biệt tiềm năng ở mỗi bên (đối với mỗi dây dẫn được tiếp xúc) sẽ giống nhau, và khi mạch được khoanh tròn trong một mạch kín, điện trường kết quả sẽ bằng không.

Nhưng nếu nhiệt độ của một trong các dây dẫn khác với nhiệt độ của dây dẫn kia, thì do sự phụ thuộc của năng lượng Fermi vào nhiệt độ, sự khác biệt tiềm năng cũng sẽ thay đổi. Do đó, sẽ có liên hệ với EMF - thành phần thứ hai của nhiệt-EMF.

Yếu tố thứ ba là sự gia tăng phonon trong EMF. Với điều kiện là có một gradient nhiệt độ trong chất rắn, số lượng phonon (phonon - lượng tử chuyển động rung động của các nguyên tử tinh thể) di chuyển theo hướng từ đầu nóng đến lạnh sẽ chiếm ưu thế, do đó cùng với các phonon, một số lượng lớn các electron sẽ được mang đi về phía lạnh và một điện tích âm sẽ tích lũy ở đó cho đến khi quá trình đạt đến trạng thái cân bằng.

Điều này mang lại thành phần thứ ba của nhiệt-EMF, ở nhiệt độ thấp có thể cao hơn hàng trăm lần so với hai thành phần được đề cập ở trên.

Năm 1834, nhà vật lý người Pháp Jean Charles Peltier đã phát hiện ra tác dụng ngược lại. Ông phát hiện ra rằng khi một dòng điện đi qua một điểm nối của hai dây dẫn khác nhau, nhiệt được giải phóng hoặc hấp thụ.

Lượng nhiệt được hấp thụ hoặc giải phóng có liên quan đến loại chất hàn, cũng như hướng và cường độ của dòng điện chạy qua đường giao nhau.Hệ số Peltier trong công thức bằng số với hệ số nhiệt-EMF nhân với nhiệt độ tuyệt đối. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng peltier.

Năm 1838, nhà vật lý người Nga Emiliy Khristianovich Lenz hiểu được bản chất của hiệu ứng Peltier. Ông đã thử nghiệm hiệu ứng Peltier bằng cách đặt một giọt nước vào đường nối của mẫu antimon và bismuth. Khi Lenz truyền một dòng điện qua mạch, nước biến thành băng, nhưng khi nhà khoa học đảo ngược hướng của dòng điện, băng nhanh chóng tan chảy.

Các nhà khoa học đã thành lập theo cách mà khi dòng chảy, không chỉ nhiệt Joule được giải phóng, mà còn xảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt bổ sung. Nhiệt bổ sung này được gọi là nhiệt Peltier.

Cơ sở vật lý của hiệu ứng Peltier như sau. Trường tiếp xúc tại điểm nối của hai chất, được tạo ra bởi sự khác biệt tiềm năng tiếp xúc, hoặc ngăn cản dòng điện đi qua mạch hoặc đóng góp vào nó.

Nếu dòng điện được truyền vào trường, thì công việc của nguồn là cần thiết, nó sẽ tiêu tốn năng lượng để khắc phục trường tiếp xúc, do đó đường giao nhau được làm nóng. Nếu dòng điện được dẫn hướng để trường tiếp xúc hỗ trợ nó, thì trường tiếp xúc thực hiện công việc và năng lượng được lấy đi từ chính chất đó và không bị tiêu thụ bởi nguồn hiện tại. Kết quả là, chất trong đường giao nhau được làm mát.

Hiệu ứng Peltier biểu cảm nhất trong chất bán dẫn, do đó mô-đun Peltier hoặc bộ chuyển đổi nhiệt điện.

Tại trung tâm của Yếu tố Peltier hai chất bán dẫn tiếp xúc với nhau. Các chất bán dẫn này được phân biệt bởi năng lượng của các electron trong dải dẫn, vì vậy khi một dòng điện chạy qua điểm tiếp xúc, các electron buộc phải thu năng lượng để có thể chuyển sang dải dẫn khác.

Vì vậy, khi chuyển sang dải dẫn năng lượng cao hơn của một chất bán dẫn khác, các electron sẽ hấp thụ năng lượng, làm mát vị trí chuyển tiếp. Ở hướng ngược lại của dòng điện, các electron phát ra năng lượng và quá trình đốt nóng xảy ra bên cạnh nhiệt Joule.

Mô đun bán dẫn Peltier bao gồm một số cặp chất bán dẫn loại p và nhình dạng giống như song song nhỏ. Thông thường, bismuth Telluride và dung dịch rắn silicon và gecmani được sử dụng làm chất bán dẫn. Các song song bán dẫn được liên kết với nhau theo cặp bằng đồng nhảy. Những jumper phục vụ như là liên lạc để trao đổi nhiệt với các tấm gốm.

Các jumper được đặt sao cho ở một bên của mô-đun, chỉ có các jumper cung cấp một chuyển tiếp n-p, mặt khác, chỉ các jumper cung cấp một chuyển tiếp p-n. Kết quả là, khi một dòng điện được áp dụng, một bên của mô-đun nóng lên, phía bên kia nguội đi và nếu cực tính của nguồn cung cấp bị đảo ngược, các mặt làm nóng và làm mát sẽ thay đổi vị trí tương ứng. Do đó, với dòng điện đi qua, nhiệt được truyền từ một phía của mô-đun sang bên kia và xảy ra sự chênh lệch nhiệt độ.

Nếu bây giờ một bên của mô-đun Peltier được làm nóng và bên còn lại được làm mát, thì nhiệt-emf sẽ xuất hiện trong mạch, nghĩa là hiệu ứng Seebeck sẽ được hiện thực hóa. Rõ ràng, hiệu ứng Seebeck (hiệu ứng nhiệt điện) và hiệu ứng Peltier là hai mặt của cùng một đồng tiền.

Ngày nay bạn có thể dễ dàng mua các mô-đun Peltier với giá tương đối phải chăng. Các mô-đun Perrier phổ biến nhất là loại TEC1-12706, chứa 127 cặp nhiệt điện và được thiết kế để cung cấp 12 volt.

Với mức tiêu thụ tối đa là 6 ampe, có thể đạt được mức chênh lệch nhiệt độ 60 ° C, trong khi phạm vi hoạt động an toàn mà nhà sản xuất tuyên bố là từ -30 ° C đến + 70 ° C. Kích thước của mô-đun là 40mm x 40mm x 4mm. Mô-đun có thể hoạt động cả ở chế độ làm mát và sưởi chế độ tạo.

Có các mô-đun Peltier mạnh hơn, ví dụ như TEC1-12715, được đánh giá ở mức 165 watt. Khi được cung cấp điện áp từ 0 đến 15,2 volt, với cường độ dòng điện từ 0 đến 15 ampe, mô-đun này có thể phát triển chênh lệch nhiệt độ 70 độ.Kích thước của mô-đun cũng là 40mm x 40mm x 4mm, tuy nhiên, phạm vi nhiệt độ làm việc an toàn rộng hơn - từ -40 ° C đến + 90 ° C.

Bảng dưới đây cho thấy dữ liệu về các mô-đun Peltier có sẵn rộng rãi trên thị trường hiện nay:

Dữ liệu về Mô-đun Pelt