Термоэлектрический модуль Пельтье — устройство, принцип действия, характеристики

Явление возникновения термо-ЭДС было открыто немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в далеком в 1821 году. А заключается это явление в том, что в замкнутой электрической цепи, состоящей из соединенных последовательно разнородных проводников, при условии что их контакты находятся в условиях различных температур, возникает ЭДС.

В 1821 г. немецкий врач Томас Иоганн Зеебек (1770—1831), основываясь на ошибочных соображениях, случайно открыл явление термоэлектричества, которое он первоначально интерпретировал как намагничивание замкнутого контура при простом «сухом» контакте разнородных металлов. Иными словами, он пытался обнаружить действие на магнитную стрелку замкнутого контура, присоединенного не к батарее, а к инородному металлу без всяких прослоек, смоченных электролитом. Замкнув медный проволочный соленоид мультипликатора висмутовым диском, он заметил, что всякий раз при нажиме рукой одного из контактов магнитная стрелка мультипликатора отклоняется. После ряда опытов он убедился, что эффект обусловлен нагреванием одного из контактов. Зеебек, руководствуясь своей теорией, заключил, «что теплота, которая сильнее передается одному из мест контакта металлов, является причиной магнетизма» (не тока, а магнетизма!). Исходя из этих соображений, Зеебек дал открытому им явлению название «термомагнетизм».

Я. Г. Дорфман «Всемирная история физики»

Данный эффект, названный по имени его первооткрывателя эффектом Зеебека, называют теперь просто термоэлектрическим эффектом .

Если цепь состоит всего из пары разнородных проводников, то такая цепь называется термопарой . В первом приближении можно утверждать, что величина термо-ЭДС зависит лишь от материала проводников и от температур холодного и горячего контактов. Таким образом, в небольшом интервале температур термо-ЭДС пропорциональна разности температур холодного и горячего контактов, а коэффициент пропорциональности в формуле называется коэффициентом термо-ЭДС.

Так например, при разности температур в 100°С, при температуре холодного контакта 0°С, пара медь-константан обладает термо-ЭДС величиной в 4,25мВ.

Между тем, термоэлектрический эффект имеет в своей основе три составляющих:

Первый фактор — различие у разных веществ зависимости средней энергии электронов от температуры. В результате, если при нагреве проводника на одном его конце температура выше, то там электроны приобретают большие скорости, чем электроны на холодном конце проводника.

Кстати, у полупроводников с нагревом растет и концентрация электронов проводимости. Электроны с высокой скоростью устремляются к холодному концу, и там происходит накопление отрицательного заряда, а на горячем конце получается нескомпенсированный положительный заряд. Так возникает составляющая термо-ЭДС, называемая объемной ЭДС.

Второй фактор — у разных веществ контактная разность потенциалов зависит от температуры по-разному. Это связано с различием энергии Ферми у каждого из проводников, сведенных в контакт. Контактная разность потенциалов, возникающая при этом, оказывается пропорциональной разности энергий Ферми.

Получается электрическое поле в тонком приконтактном слое, причем разность потенциалов с каждой стороны (у каждого из сведенных в контакт проводников) будет одинаковой, и при обходе цепи по замкнутому контуру, результирующее электрическое поле будет равно нулю.

Но если температура одного из проводников будет отличаться от температуры другого, то в связи с зависимостью энергии Ферми от температуры, изменится и разность потенциалов. В результате возникнет контактная ЭДС — вторая составляющая термо-ЭДС.

Третий фактор — фононное увеличение ЭДС . При условии, что в твердом теле имеет место температурный градиент, количество фононов (фонон — квант колебательного движения атомов кристалла), движущихся в направлении от горячего конца к холодному будет преобладать, в результате чего вместе с фононами большое количество электронов будет увлекаться в сторону холодного конца, и там станет накапливаться отрицательный заряд, пока процесс не придет в равновесие.

Это дает третью составляющую термо-ЭДС, которая в условиях низких температур может в сотни раз превосходить две упомянутые выше составляющие.

Физики Ханс Христиан Эрстед и Жан Батис Фурье, повторив в 1823 г. основные опыты Зеебека, впервые изготовили термостолбик, наблюдали вызванный им электролиз и констатировали таким путем наличие электрического тока. Поэтому они предложили называть эти явления «термоэлектрическими» Но Зеебек еще долго и упорно возражал против такой замены.

Термоэлементы очень быстро получили практическое применение, прежде всего в физических исследованиях, поскольку в ту эпоху еще не существовало постоянно действующих гальванических батарей. Кроме того, ими стали пользоваться для тепловых измерений и, в частности, для измерений теплового излучения. Инициатором обоих направлений явился Эрстед. Эта новая область явлений вызвала большое число самых разнообразных исследований.

В 1834 году французский физик Жан Шарль Пельтье открыл обратный эффект. Он обнаружил, что при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух разнородных проводников выделяется или поглощается тепло.

Количество поглощаемого или выделяемого тепла связано с видом спаянных веществ, а также с направлением и величиной протекающего через спай электрического тока. Коэффициент Пельтье в формуле численно равен коэффициенту термо-ЭДС, умноженному на абсолютную температуру. Это явление известно теперь как эффект Пельтье .

В сути эффекта Пельтье в 1838 году разобрался русский физик Эмилий Христианович Ленц. Он экспериментально проверил эффект Пельтье, поместив каплю воды на место спая образцов сурьмы и висмута. Когда Ленц пропускал через цепь электрический ток, вода превращалась в лед, но когда ученый изменил направление тока на противоположное, лед быстро растаял.

Ученый установил таким образом, что при протекании тока не только выделялось джоулево тепло, но происходило также поглощение или выделение дополнительного тепла. Это дополнительное тепло получило название «тепло Пельтье».

Физическая основа эффекта Пельтье заключается в следующем. Контактное поле в месте спая двух веществ, созданное контактной разностью потенциалов, либо препятствует прохождению пропускаемого через цепь тока, либо способствует ему.

Если ток пропускается против поля, то требуется работа источника, который должен затратить энергию на преодоление контактного поля, в результате чего и происходит нагрев места спая. Ежели ток направлен так, что контактное поле поддерживает его, то работу совершает контактное поле, и энергия отнимается у самого вещества, а не расходуется источником тока. В результате вещество в месте спая охлаждается.

Наиболее выразителен эффект Пельтье у полупроводников, благодаря чему стали возможными модули Пельтье или термоэлектрические преобразователи .

В основе элемента Пельтье два полупроводника, контактирующие между собой. Эти полупроводники отличаются энергией электронов в зоне проводимости, поэтому при протекании тока через место контакта, электроны вынуждены приобретать энергию, чтобы смочь перейти в другую зону проводимости.

Так, при перемещении в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, электроны поглощают энергию, охлаждая место перехода. При обратном направлении тока электроны отдают энергию, и происходит нагрев дополнительно к джоулеву теплу.

Полупроводниковый модуль Пельтье состоит из нескольких пар полупроводников p и n-типа , имеющих форму маленьких параллелепипедов. Обычно в качестве полупроводников используют теллурид висмута и твердый раствор кремния и германия. Полупроводниковые параллелепипеды соединены между собой попарно медными перемычками. Эти перемычки служат контактами для теплообмена с керамическими пластинками.

Перемычки расположены так, что с одной стороны модуля только перемычки обеспечивающие переход n-p, а с другой стороны — только перемычки обеспечивающие переход p-n. В результате, при подаче тока, одна сторона модуля нагревается, другая — охлаждается, а если полярность питания сменить на противоположную, то сторона нагрева и охлаждения соответственно поменяются местами. Таким образом, при прохождении тока происходит перенос тепла с одной стороны модуля на другую, и возникает разность температур.

Если теперь одну сторону модуля Пельтье нагревать, а другую охлаждать, то в цепи возникнет термо-ЭДС, то есть будет реализован эффект Зеебека. Очевидно, эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) и эффект Пельтье — две стороны одной медали.

Сегодня можно легко приобрести модули Пельтье по относительно доступной цене. Наиболее популярны модули Перьтье типа ТЕС1-12706, содержащие 127 термопар, и рассчитанные на питание 12 вольт.

При максимальном потреблении в 6 ампер, достижима разница температур в 60°С, при этом заявляемый производителем безопасный диапазон рабочих температур — от -30°С до +70°С. Размер модуля 40мм х 40мм х 4мм. Модуль может работать как в режиме охлаждения-нагревания, так и в режиме генерации .

Есть и более мощные модули Пельтье, например TEC1-12715, рассчитанный на 165 Вт. При питании напряжением от 0 до 15,2 вольт, с силой тока от 0 до 15 ампер, данный модуль способен развить разность температур в 70 градусов. Размер модуля также 40мм х 40мм х 4мм, однако диапазон безопасных рабочих температур шире — от -40°С до +90°С.

В таблице ниже приведены данные по модулям Пельтье, широко доступным сегодня на рынке:

Данные по модулям Пельте