מודול תרמו-אלקטרי Peltier - מכשיר, עיקרון הפעולה, מאפיינים

תופעת הופעתה של תרמו-EMF התגלתה על ידי הפיזיקאי הגרמני תומאס יוהן סייב עוד בשנת 1821. ותופעה זו מורכבת בכך שבמעגל חשמלי סגור המורכב ממוליכים הטרוגניים המחוברים בסדרות, בתנאי שהמגעים שלהם בטמפרטורות שונות, מתרחשת EMF.

אפקט זה, הקרוי על שמו של מגלהו, אפקט Seebeck, נקרא כעת פשוט השפעה תרמו-אלקטרונית.

אם המעגל מורכב רק מצמד מוליכים שונים, אז נקרא מעגל כזה צמד תרמי. בקירוב ראשון ניתן לטעון כי גודל הטרמו-EMF תלוי רק בחומר המוליכים ובטמפרטורות המגעים הקרים והחמים. לפיכך, בטמפרטורת טמפרטורה קטנה, תרמו-EMF פרופורציונלי להבדל הטמפרטורה בין קשרים קרים וחמים, ומקדם המידתיות בנוסחה נקרא מקדם תרמו-EMF.

כך, למשל, בהבדל טמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס, בטמפרטורת מגע קר של 0 מעלות צלזיוס, לזוג קבוע נחושת יש תרמו-EMF של 4.25 mV.

בינתיים ההשפעה התרמו-אלקטרונית מבוססת על שלושה רכיבים:

הגורם הראשון הוא ההבדל בחומרים שונים בתלות של אנרגיית האלקטרונים הממוצעת בטמפרטורה. כתוצאה מכך, אם הטמפרטורה של המוליך מחוממת בקצה אחד, האלקטרונים רוכשים שם מהירויות גבוהות יותר מאשר האלקטרונים בקצה הקר של המוליך.

אגב, ריכוז האלקטרונים ההולכה עולה גם במוליכים למחצה עם חימום. אלקטרונים ממהרים לקצה הקר במהירות גבוהה, ומצטבר שם מטען שלילי, ומתקבל מטען חיובי ללא פיצוי בקצה החם. אז יש מרכיב של תרמו-EMF, שנקרא EMF נפח.

הגורם השני הוא שבחומרים שונים ההבדל בין פוטנציאל המגע תלוי בטמפרטורה בצורה שונה. זה נובע מההבדל באנרגיית הפרמי של כל אחד מהמוליכים המובאים במגע. ההבדל בין פוטנציאל המגע הנובע במקרה זה פרופורציונלי להבדל האנרגיה של פרמי.

שדה חשמלי מתקבל בשכבת מגע דקה, וההבדל הפוטנציאלי מכל צד (לכל אחד מהמוליכים המובאים במגע) יהיה זהה, וכאשר המעגל מעגל במעגל סגור, השדה החשמלי שנוצר יהיה אפס.

אבל אם הטמפרטורה של אחד המוליכים שונה מהטמפרטורה של השנייה, אז בגלל התלות של אנרגיית פרמי בטמפרטורה, ההבדל הפוטנציאלי ישתנה גם הוא. כתוצאה מכך יהיה קשר EMF - המרכיב השני של תרמו-EMF.

הגורם השלישי הוא עליית הפונון ב- EMF. בתנאי שיש שיפוע טמפרטורה במוצק, יגבר מספר הפונונים (פונון - הקוונטה של ​​תנועת הרטט של אטומי קריסטל) הנעים בכיוון מהקצה החם לקור, וכתוצאה מכך יחד עם פונונים יובא מספר גדול של אלקטרונים לעבר הקצה הקר , ומטען שלילי יצטבר שם עד שהתהליך יגיע לאיזון.

זה נותן את המרכיב השלישי של תרמו-EMF, שבטמפרטורות נמוכות יכול להיות גבוה פי מאות משני המרכיבים שהוזכרו לעיל.

בשנת 1834 גילה הפיזיקאי הצרפתי ז'אן צ'ארלס פלטייה את האפקט ההפוך. הוא מצא שכאשר זרם חשמלי עובר דרך צומת של שני מוליכים שונים, החום משתחרר או נספג.

כמות החום שנספגת או משתחררת קשורה לסוג החומרים המולחמים, כמו גם לכיוון ועוצמת הזרם החשמלי הזורם בצומת.מקדם פלטייה בנוסחה שווה מספרית למקדם תרמו-EMF כפול הטמפרטורה המוחלטת. תופעה זו מכונה כיום אפקט פלטייר.

בשנת 1838 הבין הפיזיקאי הרוסי אמילי חריסטיאנוביץ 'לנץ את מהות השפעת פלטייה. הוא בדק באופן ניסיוני את השפעת פלטייה על ידי הנחת טיפת מים בצומת דגימות אנטימון ובישטות. כאשר לנץ העביר זרם חשמלי דרך המעגל, המים הפכו לקרח, אך כאשר המדען הפך את כיוון הזרם, הקרח נמס במהירות.

המדען קבע באופן שכאשר הזרם זורם, לא רק חום ג'ולה שוחרר, אלא גם קליטה או שחרור של חום נוסף התרחשה. החום הנוסף הזה נקרא חום פלטיאר.

הבסיס הפיזי של אפקט פלטייה הוא כדלקמן. שדה המגע בצומת של שני חומרים, הנוצר על ידי ההבדל בין פוטנציאל המגע, מונע את מעבר הזרם דרך המעגל, או תורם לו.

אם הזרם מועבר כנגד השדה, אזי נדרשת עבודת המקור, שאמורה לבזבז אנרגיה על התגברות על שדה המגע, כתוצאה ממנו מחוממת הצומת. אם הזרם מכוון כך ששדה המגע תומך בו, אז שדה המגע מבצע את העבודה, והאנרגיה נלקחת מהחומר עצמו ולא נצרכת על ידי המקור הנוכחי. כתוצאה מכך מקורר החומר בצומת.

ההשפעה הבולטת ביותר של Peltier במוליכים למחצה, שבגללה מודולים Peltier או ממירים תרמו-אלקטרוניים.

בלב ליבו של אלמנט פלטייר שני מוליכים למחצה במגע זה עם זה. מוליכים למחצה אלה נבדלים באנרגיה של אלקטרונים ברצועת ההולכה, כך שכאשר זרם זורם דרך נקודת המגע, האלקטרונים נאלצים לרכוש אנרגיה כדי להיות מסוגלים להעביר ללהקה הולכה אחרת.

לכן, כשעוברים לפס הולכה מוליך למחצה אנרגיה גבוהה יותר של מוליכים למחצה אחר, האלקטרונים סופגים אנרגיה, ומקררים את אתר המעבר. בכיוון ההפוך של הזרם, האלקטרונים מפטרים אנרגיה, וחימום מתרחש בנוסף לחום של ג'ול.

מודול מוליכים למחצה Peltier מורכב מכמה זוגות מוליכים למחצה p ו- n מסוגמעוצבים כמעצבים מקבילים קטנים. בדרך כלל משמשים מוליכים למחצה פיתרון מוצק של סיליקון וגרמניום. מרווחי מוליכים למחצה מוליכים למחצה קשורים זה לזה בזוגות על ידי מגשרים נחושת. מגשרים אלה משמשים כמגעים להחלפת חום עם צלחות קרמיקה.

מגשרים ממוקמים כך שבצד אחד של המודול ישנם רק מגשרים המספקים מעבר ל- n-p, ומצד שני, רק מגשרים המספקים מעבר ל- p-n. כתוצאה מכך, כאשר מפעילים זרם, צד אחד של המודול מתחמם, הצד השני מתקרר, ואם קוטביות האספקה ​​מתהפכת, הצדדים לחימום וקירור ישנו מקומות בהתאם. כך, עם מעבר זרם, מועבר חום מצידו האחד של המודול לצד השני ומתרחש הפרש טמפרטורה.

אם כעת מחממים צד אחד של מודול פלטייה והשני מתקרר, אז תרמו-אמף יופיע במעגל, כלומר אפקט ה- Seebeck יתממש. ברור, אפקט Seebeck (אפקט תרמו-אלקטרי) ואפקט Peltier הם שני צדדים של אותו מטבע.

כיום תוכלו לרכוש בקלות מודולי Peltier במחיר נוח יחסית. מודולי ה- Perrier הפופולריים ביותר הם מסוג TEC1-12706, המכילים 127 צמד תרמי, ומיועדים לאספקת 12 וולט.

עם צריכה מקסימאלית של 6 אמפר ניתן להשיג הפרש טמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס, ואילו טווח טמפרטורת ההפעלה הבטוחה שהוכרז על ידי היצרן הוא בין -30 מעלות צלזיוס ל -70 מעלות צלזיוס. גודל המודול הוא 40 מ"מ x 40 מ"מ x 4 מ"מ. המודול יכול לעבוד גם במצב חימום קירור וגם ב מצב דור.

ישנם מודולי Peltier חזקים יותר, למשל TEC1-12715, המדורגים על 165 וואט. כאשר מופעל על ידי מתח בין 0 ל 15.2 וולט, עם חוזק זרם של 0 עד 15 אמפר, מודול זה מסוגל לפתח הפרש טמפרטורה של 70 מעלות.גודל המודול הוא גם 40 מ"מ x 40 מ"מ x 4 מ"מ. עם זאת, טווח טמפרטורות העבודה הבטוחות הוא רחב יותר - מ- -40 ° C ל- + 90 ° C.

הטבלה שלהלן מציגה את הנתונים על מודולי Peltier הקיימים כיום באופן נרחב בשוק:

נתונים על מודולי Pelt