Эффект Пельтье и его применение в охлаждении электронно-механических устройств

Эффект  Пельтье и его применение в охлаждении электронно-механических устройств

Терехов А.В.

Кафедра ТОЭ

Научный руководитель: Беляков  В.Б., ассистент

e-mail: Anton.Terekhov.Mail@gmail.com

Аннотация – Автор описывает эффект Пельтье, объясняет его, рассказывает о модуле Пельтье и его применении в охлаждении электронно-механических устройств.

Ключевые слова: эффект Пельтье; модуль Пельтье; системы охлаждения.

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками (рис. 1). В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое – остывает.

Рис. 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье

Тепло Пельтье  пропорционально силе тока и может быть выражено формулой

Qп  = П •q,   (1)

где Qп – тепло Пельтье, q - заряд прошедший через контакт, П - так называемый коэффициент Пельтье, который зависит от природы контактирующих материалов и их температуры.

Классическая теория объясняет  явление Пельтье тем, что при  переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контактной разностью потенциалов между  металлами. В случае ускорения кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случае кинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергии тепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом он начинает охлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.

Причина возникновения  эффекта Пельтье на контакте полупроводников  с одинаковым видом носителей  тока (два полупроводника n-типа или  два полупроводника p-типа) такая  же, как и в случае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье и температура контакта повышается. При этом на другом спае носители, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки, происходит поглощение теплоты Пельтье и понижение температуры.

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы - модули Пельтье.

Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно  соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла.

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный  перепад, который составляет несколько  десятков градусов. При соответствующем  принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор - холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов.

Элементы Пельтье применяются  в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность  охладителя не важна. Эти элементы широко применяются для охлаждения электронно-механических устройств.

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10. т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. – 4-е изд., стереот.-м.: Физматлит, 200 т.
2. Наркевич И.И. Физика: Учеб./ И.И. Наркевич, Э.И. Вомлянский, С.И. Лобко. – Мн.: Новое знание, 2004.
3. Физика: Энциклопедия./ Под. Ред. Ю.В. Прохорова. – М.: Большая Российская Энциклопедия, 2003.
4. Физическая энциклопедия, т. 5. Стробоскопические приборы – яркость/ Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Балдин, Большая Российская Энциклопедия, 1998.