Efectul de răcire Peltier explicat la nivel molecular. Elemente Peltier
Vă sugerez să vizionați două videoclipuri scurte.
Unii dintre voi s-ar putea să le fi întâlnit deja online. Dispozitive similare sunt folosite în tehnologia computerelor.
Cu toate acestea, să vorbim mai detaliat mai jos despre natura fizică a acestui fenomen. Asemenea dispozitive de răcire mici sunt interesante deoarece principiul lor de funcționare se bazează pe un efect fizic specific.
Videoclipul 1
Videoclipul 2
Aceste dispozitive se bazează pe Efectul Peltier.
Acest fenomen fizic a fost descoperit în 1834
an Jean-Charles Peltier, un ceasornicar din Franța. Efectul rezultat a fost numit după descoperitorul său - efectul Peltier. Peltier a descoperit că atunci când un curent electric trece printr-un circuit format din doi conductori diferiți, una dintre joncțiuni se răcește, iar cealaltă se încălzește.
Eliberarea de căldură atunci când era expus la electricitate era deja cunoscută și înțeleasă până în acel moment, dar eliberarea de frig era de neînțeles și nestudiată.
Apoi, încercările de a utiliza efectul pentru a obține temperaturi scăzute au fost nereușite, deoarece nu a fost posibil să se obțină o valoare EMF mare. Prin urmare, efectul Peltier a fost uitat de mai bine de o sută de ani.
Problema a fost rezolvată prin înlocuirea conductoarelor cu semiconductori, în care este mai vizibil. În anii 30 ai secolului XX, academicianul nostru compatriot A.F.Ioffe a propus și a demonstrat capacitatea semiconductorilor de a asigura o eficiență suficientă a procesului.
Efectul Peltier este inversat Efect Seebeck, mai cunoscut sub numele de efect termoelectric.
Efectul Peltier este reversibil. Vedem asta în videoclipul 2. Dacă schimbați polaritatea, contactul care era anterior fierbinte se va răci și invers.
După cum am scris mai sus, dacă folosiți metale nobile ca conductori, atunci diferența maximă de temperatură care poate fi stoarsă între două puncte nu va fi mai mare de 3 K. Prin urmare, pentru a obține o diferență de temperatură mai mare, au început să folosească combinații de materiale. - semiconductori, conductivitatea electrică, care se află între conductivitatea unui metal pur, cum ar fi cuprul. Când trece curentul continuu, căldura va fi generată pe un semiconductor, iar căldura va fi absorbită pe celălalt. Astfel de instalații cu o singură treaptă fac posibilă obținerea unei reduceri maxime a temperaturii de 70...75 K.
O scădere suplimentară a temperaturii este posibilă doar conexiune în cascadă termoelemente.
Datorită acestui fapt, a fost posibil să se obțină: o răcire mai profundă, creșterea eficienței procesului de răcire și reducerea dimensiunilor unităților cu temperatură scăzută.
Pentru a obține o capacitate de răcire suficientă fără a crește prea mult curent electric, conectați elementele Peltier în serie la baterii.
baterie Peltier
Avantajele mașinilor frigorifice bazate pe baterii Peltier:
- absenta pieselor in miscare, si deci zgomot si vibratii;
- lipsa substantelor de lucru (refrigeranti si lichide de racire);
- dimensiuni mici;
- capacitatea de a ajusta continuu performanța în orice limite.
Dar deficiențele au limitat extrem de mult utilizarea unor astfel de dispozitive la produse de nișă:
- randament scazut (COP), mai mic decat unitatile freon de compresie a vaporilor;
- capacitate redusă de răcire;
- cost ridicat.
Principala problemă în construirea elementelor Peltier cu eficiență ridicată este că electronii liberi dintr-o substanță sunt purtători simultan atât de curent electric, cât și de căldură. Materialul pentru elementul Peltier trebuie să aibă simultan două proprietăți care se exclud reciproc - conduc bine curentul electric, dar conduc slab căldura Acest lucru este dificil de realizat în practică.
Astăzi, astfel de răcitoare și-au găsit aplicație în echipamentele fotografice, dispozitivele de vedere pe timp de noapte și telescoape. Folosit și în sistemele de răcire pentru echipamente informatice și frigidere auto.
Este posibil ca utilizarea de noi materiale să deschidă noi posibilități de utilizare a unor astfel de sisteme și instalații. Cea mai promițătoare aplicație în acest moment este în sistemele informatice de răcire.
Dacă urmăriți cu atenție videoclipul, puteți vedea desemnarea TEC- aceasta este o abreviere pentru Thermoelectric Cooler în engleză, care înseamnă răcitor termoelectric, care se mai numește și elemente Peltier.
Apropo, URSS a fost liderul în tehnologia de răcire termoelectrică, ca în cercetare de bază, și în aplicare practică. Primele frigidere termoelectrice de uz casnic au fost create aici în anii 60.
Frigidere Peltier cu semiconductor
Lucrări moderne de înaltă performanță componente electronice, care stau la baza calculatoarelor, este însoțită de o generare semnificativă de căldură, mai ales atunci când le operează în moduri de overclocking forțat. Funcționarea eficientă a unor astfel de componente necesită mijloace de răcire adecvate pentru a asigura condițiile de temperatură necesare pentru funcționarea lor. De regulă, astfel de mijloace de susținere a condițiilor optime de temperatură sunt răcitoarele, care se bazează pe radiatoare și ventilatoare tradiționale.
Fiabilitatea și performanța unor astfel de dispozitive sunt în continuă creștere datorită îmbunătățirilor în proiectarea, utilizarea lor cele mai noi tehnologiiși utilizarea diverșilor senzori și mijloace de control în componența acestora. Acest lucru face posibilă integrarea unor astfel de instrumente în sistemele informatice, oferind diagnosticare și control al funcționării acestora pentru a obține cea mai mare eficiență, asigurând în același timp condiții optime de temperatură pentru funcționarea elementelor computerului, ceea ce crește fiabilitatea și prelungește perioada fără probleme. operare.
Parametrii răcitorilor tradiționali se îmbunătățesc continuu, totuși, în ultima perioadă, pe piața calculatoarelor au apărut astfel de mijloace specifice de răcire a elementelor electronice precum frigiderele Peltier cu semiconductori și au devenit în curând populare (deși cuvântul cooler este adesea folosit, termenul corect în cazul Peltier). elemente este tocmai frigider).
Frigiderele Peltier, care conțin module termoelectrice speciale cu semiconductori, a căror funcționare se bazează pe efectul Peltier, descoperit încă din 1834, sunt dispozitive de răcire extrem de promițătoare. Astfel de instrumente au fost folosite cu succes de mulți ani în diverse domenii ale științei și tehnologiei.
În anii șaizeci și șaptezeci, industria autohtonă a făcut încercări repetate de a produce frigidere de uz casnic de dimensiuni mici, a căror funcționare se baza pe efectul Peltier. Cu toate acestea, imperfecțiunea tehnologiilor existente, valorile scăzute ale eficienței și preturi mariÎn acele vremuri, astfel de dispozitive nu aveau voie să părăsească laboratoarele de cercetare și bancurile de testare.
Dar efectul Peltier și modulele termoelectrice nu sunt rezervate numai oamenilor de știință. În procesul de îmbunătățire a tehnologiei, multe fenomene negative au fost atenuate semnificativ. Aceste eforturi au avut ca rezultat module semiconductoare extrem de eficiente și de încredere.
ÎN ultimii ani Aceste module, a căror funcționare se bazează pe efectul Peltier, au început să fie utilizate în mod activ pentru răcirea unei varietăți de componente electronice ale computerelor. În special, au început să fie folosite pentru a răci procesoare moderne puternice, a căror funcționare este însoțită de nivel înalt generare de căldură.
Datorită proprietăților lor termice și operaționale unice, dispozitivele create pe baza modulelor termoelectrice - module Peltier - permit atingerea nivelului necesar de răcire a elementelor computerului fără dificultăți tehnice speciale sau costuri financiare. Ca răcitoare pentru componente electronice, aceste mijloace de menținere a condițiilor de temperatură necesare pentru funcționarea lor sunt extrem de promițătoare. Sunt compacte, convenabile, fiabile și au o eficiență de operare foarte mare.
Frigiderele cu semiconductor prezintă un interes deosebit ca mijloc de a asigura o răcire intensivă sisteme informatice, ale căror elemente sunt instalate și operate în regimuri forțate severe. Utilizarea unor astfel de moduri de overclocking asigură adesea o creștere semnificativă a performanței componentelor electronice utilizate și, în consecință, de regulă, a întregului sistem informatic. Cu toate acestea, funcționarea componentelor computerului în astfel de moduri generează căldură semnificativă și se află adesea la limita capacităților arhitecturilor computerelor, precum și a tehnologiilor microelectronice existente și utilizate. Astfel de componente ale computerului, a căror funcționare este însoțită de generarea ridicată de căldură, nu sunt doar procesoare de înaltă performanță, ci și elemente ale adaptoarelor video moderne de înaltă performanță și, în unele cazuri, cipuri pentru module de memorie. Astfel de elemente puternice necesită răcire intensivă pentru funcționarea lor corectă, chiar și în modurile normale și cu atât mai mult în modurile de overclocking.
module Peltier
Frigiderele Peltier folosesc un frigider convențional, așa-numitul termoelectric, a cărui funcționare se bazează pe efectul Peltier. Acest efect este numit după ceasornicarul francez Peltier (1785-1845), care și-a făcut descoperirea cu mai bine de un secol și jumătate în urmă - în 1834.
Peltier însuși nu a înțeles prea bine esența fenomenului pe care l-a descoperit. Adevăratul sens al fenomenului a fost stabilit câțiva ani mai târziu, în 1838, de către Lenz (1804-1865).
Lenz a pus o picătură de apă în adâncitura de la joncțiunea a două tije de bismut și antimoniu. Când un curent electric a fost trecut într-o direcție, o picătură de apă a înghețat. Când curentul a fost trecut în direcția opusă, gheața rezultată s-a topit. Astfel, s-a stabilit că atunci când un curent electric trece prin contactul a doi conductori, în funcție de direcția acestuia din urmă, pe lângă căldura Joule, se eliberează sau se absoarbe căldură suplimentară, care se numește căldură Peltier. Acest fenomen se numește fenomenul Peltier (efectul Peltier). Astfel, este inversul fenomenului Seebeck.
Dacă într-un circuit închis format din mai multe metale sau semiconductori, temperaturile la punctele de contact ale metalelor sau semiconductorilor sunt diferite, atunci în circuit apare un curent electric. Acest fenomen de curent termoelectric a fost descoperit în 1821 de către fizicianul german Seebeck (1770-1831).
Spre deosebire de căldura Joule-Lenz, care este proporțională cu pătratul puterii curentului (Q=R·I·I·t), căldura Peltier este proporțională cu prima putere a puterii curentului și își schimbă semnul când direcția ultimele modificări. Căldura Peltier, după cum au arătat studiile experimentale, poate fi exprimată prin formula:
Qп = П ·q
unde q este cantitatea de energie electrică transmisă (q=I·t), P este așa-numitul coeficient Peltier, a cărui valoare depinde de natura materialelor în contact și de temperatura acestora.
Căldura Peltier Qp este considerată pozitivă dacă este eliberată și negativă dacă este absorbită.
Orez. 1. Schema experimentului de măsurare a căldurii Peltier, Cu - cupru, Bi - bismut.
În schema prezentată a experimentului de măsurare a căldurii Peltier, cu aceeași rezistență a firelor R (Cu+Bi) coborâte în calorimetre, aceeași căldură Joule va fi degajată în fiecare calorimetru și anume conform Q=R·I· I·t. Căldura Peltier, dimpotrivă, va fi pozitivă într-un calorimetru și negativă în celălalt. În conformitate cu această schemă, este posibil să se măsoare căldura Peltier și să se calculeze valorile coeficienților Peltier pentru diferite perechi de conductori.
Trebuie remarcat faptul că coeficientul Peltier depinde în mod semnificativ de temperatură. Unele valori ale coeficientului Peltier pentru diferite perechi de metale sunt prezentate în tabel.
| Valorile coeficientului Peltier pentru diferite perechi de metale | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Fier-constantan | Cupru-nichel | Plumb-constantan | |||
| T, K | P, mV | T, K | P, mV | T, K | P, mV |
| 273 | 13,0 | 292 | 8,0 | 293 | 8,7 |
| 299 | 15,0 | 328 | 9,0 | 383 | 11,8 |
| 403 | 19,0 | 478 | 10,3 | 508 | 16,0 |
| 513 | 26,0 | 563 | 8,6 | 578 | 18,7 |
| 593 | 34,0 | 613 | 8,0 | 633 | 20,6 |
| 833 | 52,0 | 718 | 10,0 | 713 | 23,4 |
Coeficientul Peltier, care este important caracteristici tehnice materialele, de regulă, nu sunt măsurate, ci sunt calculate prin coeficientul Thomson:
P = un T
unde P este coeficientul Peltier, a este coeficientul Thomson, T este temperatura absolută.
Descoperirea efectului Peltier a avut o mare influență asupra dezvoltării ulterioare a fizicii și, ulterior, a diferitelor domenii ale tehnologiei.
Deci, esența efectului deschis este următoarea: atunci când un curent electric trece prin contactul a doi conductori din materiale diferite, în funcție de direcția sa, pe lângă căldura Joule, se eliberează sau se absoarbe căldură suplimentară, care se numește Peltier. căldură. Gradul în care se manifestă acest efect depinde în mare măsură de materialele conductorilor selectați și de modurile electrice utilizate.
Teoria clasică explică fenomenul Peltier prin faptul că electronii transferați prin curent de la un metal la altul sunt accelerați sau decelerati sub influența diferenței interne de potențial de contact dintre metale. În primul caz energie cinetică electronii crește și apoi este eliberat sub formă de căldură. În al doilea caz, energia cinetică a electronilor scade, iar această pierdere de energie este completată din cauza vibrațiilor termice ale atomilor celui de-al doilea conductor. Ca urmare, are loc răcirea. O teorie mai completă ia în considerare nu modificarea energiei potențiale atunci când un electron este transferat de la un metal la altul, ci schimbarea energiei totale.
Efectul Peltier este observat cel mai puternic atunci când se folosesc semiconductori de tip p și n. În funcţie de direcţia curentului electric prin contactul semiconductorului diferite tipuri- joncțiuni p-n- și n-p datorate interacțiunii sarcinilor reprezentate de electroni (n) și găuri (p), și recombinării lor, energia este fie absorbită, fie eliberată. Ca rezultat al acestor interacțiuni și al proceselor energetice generate, căldura este fie absorbită, fie eliberată. Utilizarea semiconductorilor de tip p și n în frigiderele termoelectrice este ilustrată în Fig. 2.
Orez. 2. Utilizarea semiconductoarelor de tip p și n în frigiderele termoelectrice.
Combinarea unui număr mare de perechi de semiconductori de tip p și n face posibilă crearea de elemente de răcire - module Peltier de putere relativ mare. Structura unui modul Peltier termoelectric semiconductor este prezentată în Fig. 3.
Orez. 3. Structura modulului Peltier
Modulul Peltier este un frigider termoelectric format din semiconductori de tip p și n conectați în serie, formând joncțiuni p-n- și n-p. Fiecare dintre aceste joncțiuni are contact termic cu unul dintre cele două radiatoare. Ca urmare a trecerii unui curent electric de o anumită polaritate, între radiatoarele modulului Peltier se formează o diferență de temperatură: un radiator funcționează ca un frigider, celălalt radiator se încălzește și servește la îndepărtarea căldurii. În fig. Figura 4 prezintă aspectul unui modul Peltier tipic.
Orez. 4. Aspect Modulul Peltier
Un modul tipic oferă o diferență semnificativă de temperatură de câteva zeci de grade. Cu răcirea forțată corespunzătoare a radiatorului de încălzire, al doilea radiator - frigiderul - permite atingerea temperaturilor negative. Pentru a crește diferența de temperatură, este posibilă comutarea în cascadă a modulelor termoelectrice Peltier, asigurând în același timp o răcire adecvată. Aceasta permite, prin mijloace relativ simple, să se obțină o diferență semnificativă de temperatură și să se asigure o răcire eficientă a elementelor protejate. În fig. Figura 5 prezintă un exemplu de conectare în cascadă a modulelor Peltier standard.
Orez. 5. Exemplu de conectare în cascadă a modulelor Peltier
Dispozitivele de răcire bazate pe module Peltier sunt adesea numite frigidere Peltier active sau pur și simplu răcitoare Peltier.
Utilizarea modulelor Peltier în răcitoarele active le face mult mai eficiente în comparație cu tipurile standard de răcitoare bazate pe radiatoare și ventilatoare tradiționale. Cu toate acestea, în procesul de proiectare și utilizare a răcitoarelor cu module Peltier, este necesar să se țină seama de o serie de caracteristici specifice care decurg din proiectarea modulelor, principiul lor de funcționare, arhitectura hardware-ului modern al computerului și funcționalitatea sistemului și software de aplicație.
Mare valoare joacă puterea modulului Peltier, care, de regulă, depinde de dimensiunea acestuia. Un modul de putere redusă nu asigură nivelul necesar de răcire, ceea ce poate duce la funcționarea defectuoasă a elementului electronic protejat, de exemplu, un procesor din cauza supraîncălzirii acestuia. Cu toate acestea, utilizarea modulelor cu prea multă putere poate face ca temperatura radiatorului de răcire să scadă la nivelul de condensare a umezelii din aer, ceea ce este periculos pentru circuitele electronice. Acest lucru se datorează faptului că apa produsă în mod continuu prin condens poate provoca scurtcircuite în circuitele electronice ale computerului. Este oportun să reamintim aici că distanța dintre conductorii purtători de curent de pe plăcile de circuite imprimate moderne este adesea de fracțiuni de milimetri. Cu toate acestea, în ciuda tuturor, modulele Peltier puternice care fac parte din răcitoarele de înaltă performanță și sistemele suplimentare de răcire și ventilație corespunzătoare au fost cele care au permis KryoTech și AMD, în cercetări comune, să overclockeze procesoarele AMD create folosind tehnologia tradițională la frecvențe care depășesc 1. GHz, adică își măresc frecvența de funcționare de aproape 2 ori față de modul lor normal de funcționare. Și trebuie subliniat faptul că acest nivel de performanță a fost atins, asigurând în același timp stabilitatea și fiabilitatea necesare funcționării procesorului în moduri forțate. Ei bine, rezultatul unei astfel de overclockări extreme a fost un record de performanță în rândul procesoarelor cu arhitectură 80x86 și sistem de instrucțiuni. Și compania KryoTech a făcut bani frumoși prin oferirea pe piață a unităților sale de răcire. Echipate cu componente electronice adecvate, acestea s-au dovedit a fi solicitate ca platforme pentru servere și stații de lucru de înaltă performanță. Și AMD a primit confirmarea nivelului înalt al produselor sale și a materialului experimental bogat pentru îmbunătățirea în continuare a arhitecturii procesoarelor sale. Apropo, studii similare au fost efectuate cu procesoare Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, în urma cărora s-a obținut și o creștere semnificativă a performanței.
Trebuie remarcat faptul că modulele Peltier emit o cantitate relativ mare de căldură în timpul funcționării lor. Din acest motiv, ar trebui să utilizați nu numai un ventilator puternic ca parte a răcitorului, ci și măsuri de reducere a temperaturii din interiorul carcasei computerului pentru a preveni supraîncălzirea altor componente ale computerului. Pentru a face acest lucru, este recomandabil să utilizați ventilatoare suplimentare în designul carcasei computerului pentru a asigura un schimb mai bun de căldură cu mediuîn afara cazului.
În fig. Figura 6 arată aspectul unui răcitor activ, care utilizează un modul semiconductor Peltier.
Orez. 6. Aspectul unui cooler cu modul Peltier
Trebuie remarcat faptul că sistemele de răcire bazate pe module Peltier sunt utilizate nu numai în sistemele electronice precum computerele. Astfel de module sunt folosite pentru a răci diverse dispozitive de înaltă precizie. Modulele Peltier sunt de mare importanță pentru știință. În primul rând, acest lucru se aplică cercetărilor experimentale efectuate în fizică, chimie și biologie.
Informații despre modulele și frigiderele Peltier, precum și caracteristicile și rezultatele utilizării acestora, pot fi găsite pe site-urile web de pe Internet, de exemplu, la următoarele adrese:
Caracteristici de funcționare
Modulele Peltier, utilizate ca componente pentru răcirea componentelor electronice, se caracterizează printr-o fiabilitate relativ ridicată și, spre deosebire de frigiderele create folosind tehnologia tradițională, nu au piese mobile. Și, după cum sa menționat mai sus, pentru a crește eficiența funcționării lor, acestea permit utilizarea în cascadă, ceea ce face posibilă aducerea temperaturii carcaselor elementelor electronice protejate la valori negative, chiar și cu puterea lor de disipare semnificativă.
Cu toate acestea, pe lângă avantajele evidente, modulele Peltier au și o serie de proprietăți și caracteristici specifice care trebuie luate în considerare atunci când le folosesc ca parte a lichidelor de răcire. Unele dintre ele au fost deja notate, dar pentru aplicarea corectă a modulelor Peltier necesită o analiză mai detaliată. Cele mai importante caracteristici includ următoarele caracteristici de operare:
- Modulele Peltier, care generează o cantitate mare de căldură în timpul funcționării lor, necesită prezența radiatoarelor și ventilatoarelor adecvate în răcitor, care pot elimina în mod eficient excesul de căldură din modulele de răcire. Trebuie remarcat faptul că modulele termoelectrice se caracterizează printr-un coeficient de performanță (eficiență) relativ scăzut și, îndeplinind funcțiile unei pompe de căldură, ele însele sunt surse puternice de căldură. Utilizarea acestor module ca parte a mijloacelor de răcire pentru componentele electronice ale computerului determină o creștere semnificativă a temperaturii în interiorul unității de sistem, ceea ce necesită adesea măsuri și mijloace suplimentare de reducere a temperaturii din interiorul carcasei computerului. În caz contrar, temperatura crescută din interiorul carcasei creează dificultăți de funcționare nu numai pentru elementele protejate și sistemele de răcire ale acestora, ci și pentru restul componentelor computerului. De asemenea, trebuie subliniat faptul că modulele Peltier reprezintă o sarcină suplimentară relativ puternică pentru sursa de alimentare. Ținând cont de consumul de curent al modulelor Peltier, puterea sursei de alimentare a computerului trebuie să fie de cel puțin 250 W. Toate acestea duc la recomandarea alegerii plăcilor de bază ATX și a carcasei cu surse de alimentare de putere suficientă. Utilizarea acestui design face ca componentele computerului să organizeze mai ușor condiții termice și electrice optime. Trebuie remarcat faptul că există frigidere Peltier cu alimentare proprie.
- Modulul Peltier, în cazul defectării acestuia, izolează elementul răcit de radiatorul răcitor. Aceasta duce la o întrerupere foarte rapidă a regimului termic al elementului protejat și la eșecul rapid al acestuia din cauza supraîncălzirii ulterioare.
- Temperaturile scăzute care apar în timpul funcționării frigiderelor Peltier cu putere în exces contribuie la condensarea umidității din aer. Acest lucru prezintă un risc pentru componentele electronice, deoarece condensul poate provoca scurtcircuite între componente. Pentru a elimina acest pericol, este indicat sa folositi frigidere Peltier cu putere optima. Dacă apare sau nu condensul depinde de mai mulți parametri. Cele mai importante sunt: temperatura mediului ambiant (în acest caz, temperatura aerului din interiorul carcasei), temperatura obiectului răcit și umiditatea aerului. Cu cât aerul din interiorul carcasei este mai cald și umiditatea este mai mare, cu atât va apărea mai probabil condensul de umezeală și defecțiunea ulterioară a componentelor electronice ale computerului. Mai jos este un tabel care ilustrează dependența temperaturii de condensare a umidității de un obiect răcit, în funcție de umiditate și temperatura ambiantă. Folosind acest tabel, puteți determina cu ușurință dacă există sau nu riscul de condens. De exemplu, dacă temperatura exterioară este de 25°C și umiditatea este de 65%, atunci condensul de umezeală pe obiectul răcit are loc atunci când temperatura suprafeței acestuia este sub 18°C.
Temperatura de condensare a umezelii
| Umiditate, % | |||||||||
| Temperatură ambiental, °C |
30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 |
| 30 | 11 | 13 | 15 | 17 | 18 | 20 | 21 | 23 | 24 |
| 29 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 19 | 20 | 22 | 23 |
| 28 | 9 | 11 | 13 | 15 | 17 | 18 | 20 | 21 | 22 |
| 27 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 17 | 19 | 20 | 21 |
| 26 | 7 | 9 | 11 | 13 | 15 | 16 | 18 | 19 | 20 |
| 25 | 6 | 9 | 11 | 12 | 14 | 15 | 17 | 18 | 19 |
| 24 | 5 | 8 | 10 | 11 | 13 | 14 | 16 | 17 | 18 |
| 23 | 5 | 7 | 9 | 10 | 12 | 14 | 15 | 16 | 17 |
| 22 | 4 | 6 | 8 | 10 | 11 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| 21 | 3 | 5 | 7 | 9 | 10 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 20 | 2 | 4 | 6 | 8 | 9 | 11 | 12 | 13 | 14 |
În plus față de aceste caracteristici, este necesar să se țină cont de o serie de circumstanțe specifice asociate cu utilizarea modulelor termoelectrice Peltier ca parte a răcitoarelor utilizate pentru răcirea procesoarelor centrale de înaltă performanță ale computerelor puternice.
Arhitectura procesoarelor moderne și unele programe de sistem prevăd modificări ale consumului de energie în funcție de sarcina procesoarelor. Acest lucru vă permite să optimizați consumul lor de energie. Apropo, acest lucru este prevăzut și de standardele de economisire a energiei, susținute de unele funcții încorporate în hardware-ul și software-ul computerelor moderne. În condiții normale, optimizarea funcționării procesorului și a consumului său de energie are un efect benefic atât asupra regimului termic al procesorului în sine, cât și asupra generalului. echilibru termic. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că modurile cu modificări periodice ale consumului de energie pot să nu fie compatibile cu mijloacele de răcire pentru procesoarele care utilizează module Peltier. Acest lucru se datorează faptului că frigiderele Peltier existente sunt în general proiectate pentru funcționare continuă. În acest sens, cele mai simple frigidere Peltier care nu au mijloace de control nu sunt recomandate pentru utilizare împreună cu programe de răcire, precum, de exemplu, CpuIdle, precum și cu sisteme de operare Windows NT/2000 sau Linux.
Dacă procesorul trece la un mod de consum redus de energie și, în consecință, de disipare a căldurii, este posibilă o scădere semnificativă a temperaturii carcasei procesorului și a cristalului. Suprarăcirea nucleului procesorului poate provoca, în unele cazuri, o oprire temporară a funcționării acestuia și, ca urmare, o înghețare permanentă a computerului. Trebuie amintit că, în conformitate cu documentația Intel, temperatura minimă la care este garantată funcționarea corectă a procesoarelor seriale Pentium II și Pentium III este de obicei de +5 °C, deși, după cum arată practica, acestea funcționează perfect bine la temperaturi mai scăzute.
Unele probleme pot apărea și ca urmare a funcționării unui număr de funcții încorporate, de exemplu, cele care controlează ventilatoarele de răcire. În special, modurile de gestionare a puterii procesorului din unele sisteme informatice implică schimbarea vitezei ventilatoarelor de răcire prin hardware-ul încorporat al plăcii de bază. În condiții normale, acest lucru îmbunătățește semnificativ performanța termică a procesorului computerului. Totuși, în cazul utilizării celor mai simple frigidere Peltier, o scădere a vitezei de rotație poate duce la o deteriorare a regimului termic cu un rezultat fatal pentru procesor din cauza supraîncălzirii acestuia de către modulul Peltier de funcționare, care, pe lângă performanțele sale. funcțiile unei pompe de căldură, este o sursă puternică de căldură suplimentară.
Trebuie remarcat faptul că, ca și în cazul procesoarelor centrale de computer, frigiderele Peltier pot fi o alternativă bună la mijloacele tradiționale de răcire a chipset-urilor video utilizate în adaptoarele video moderne de înaltă performanță. Funcționarea unor astfel de chipset-uri video este însoțită de o generare semnificativă de căldură și, de obicei, nu este supusă unor schimbări bruște în modurile lor de funcționare.
Pentru a elimina problemele cu modurile de consum variabil de energie care provoacă condensarea umidității din aer și posibila hipotermie și, în unele cazuri, chiar supraîncălzirea elementelor protejate, cum ar fi procesoarele computerului, ar trebui să încetați să utilizați astfel de moduri și o serie de încorporate. funcții. Cu toate acestea, ca alternativă, pot fi utilizate sisteme de răcire care oferă controale inteligente pentru frigiderele Peltier. Astfel de instrumente pot controla nu numai funcționarea ventilatoarelor, ci și pot schimba modurile de funcționare ale modulelor termoelectrice utilizate ca parte a răcitorilor activi.
Au existat rapoarte de experimente privind încorporarea modulelor Peltier miniaturale direct în cipurile procesorului pentru a răci structurile lor cele mai critice. Această soluție promovează o răcire mai bună prin reducerea rezistenței termice și poate crește semnificativ frecvența de operare și performanța procesoarelor.
Multe laboratoare de cercetare desfășoară lucrări pentru îmbunătățirea sistemelor de asigurare a condițiilor optime de temperatură pentru elementele electronice. Iar sistemele de răcire care utilizează module termoelectrice Peltier sunt considerate extrem de promițătoare.
Exemple de frigidere Peltier
Relativ recent, pe piața calculatoarelor au apărut module Peltier produse pe plan intern. Acestea sunt dispozitive simple, fiabile și relativ ieftine (7 USD-15 USD). De obicei, un ventilator de răcire nu este inclus. Cu toate acestea, astfel de module vă permit nu numai să vă familiarizați cu mijloace de răcire promițătoare, ci și să le utilizați în scopul propus în sistemele de protecție pentru componentele computerului. Aici parametrii succinti una dintre mostre.
Dimensiunea modulului (Fig. 7) - 40x40 mm, curent maxim - 6 A, tensiune maximă - 15 V, consum de energie - până la 85 W, diferență de temperatură - mai mult de 60 °C. Oferind un ventilator puternic, modulul este capabil să protejeze procesorul cu o putere disipată de până la 40 W.
Orez. 7. Aspectul frigiderului PAP2X3B
Există pe piață atât versiuni mai puțin, cât și mai puternice ale modulelor Peltier autohtone.
Gama de dispozitive străine este mult mai largă. Mai jos sunt exemple de frigidere în designul cărora sunt utilizate module termoelectrice Peltier.
Frigidere Peltier active de la Computernerd
| Nume | Producator/furnizor | Parametrii ventilatorului | CPU |
| PAX56B | computernerd | rulment cu bile | Pentium/MMX până la 200 MHz, 25 W |
| PA6EXB | computernerd | rulment dublu cu bile, tahometru | Pentium MMX până la 40 W |
| DT-P54A | DesTech Solutions | rulment dublu cu bile | Pentium |
| AC-P2 | Cooler AOC | rulment cu bile | Pentium II |
| PAP2X3B | computernerd | 3 rulment cu bile | Pentium II |
| STEP-UP-53X2 | Termodinamica pasului | 2 rulmenti cu bile | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier |
computernerd | 3 rulmenti cu bile, tahometru | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier |
computernerd | 3 rulmenti cu bile, tahometru | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier | computernerd | 3 rulmenti cu bile, tahometru | Pentium II, Celeron |
Frigiderul PAX56B este proiectat pentru a răci procesoarele Pentium și Pentium-MMX de la Intel, Cyrix și AMD care funcționează la frecvențe de până la 200 MHz. Un modul termoelectric care măsoară 30x30 mm permite frigiderului să mențină o temperatură a procesorului sub 63 °C, cu o putere disipată de 25 W și o temperatură externă de 25 °C. Datorită faptului că majoritatea procesoarelor disipă mai puțină putere, acest cooler vă permite să mențineți temperatura procesorului mult mai scăzută decât multe coolere alternative bazate pe radiatoare și ventilatoare. Modulul Peltier al frigiderului PAX56B este alimentat de o sursă de 5V capabilă să furnizeze maxim 1,5A. Ventilatorul acestui frigider necesită o tensiune de 12 V și un curent de 0,1 A (maximum). Parametri ventilator frigider PAX56B: rulment cu bile, 47,5 mm, 65000 ore, 26 dB. Dimensiunea totală a acestui frigider este de 25x25x28,7 mm. Prețul estimativ al frigiderului PAX56B este de 35 USD. Prețul indicat este dat în conformitate cu lista de prețuri a companiei pentru mijlocul anului 2000.
Frigiderul PA6EXB este proiectat pentru a răci procesoare Pentium-MMX mai puternice, care disipează o putere de până la 40 W. Acest frigider este potrivit pentru toate procesoarele de la Intel, Cyrix și AMD, conectate prin Socket 5 sau Socket 7. Modulul termoelectric Peltier inclus în frigiderul PA6EXB are dimensiunea de 40x40 mm și consumă un curent maxim de 8 A (de obicei 3 A) la o tensiune de 5 B cu conectare printr-un conector de alimentare standard al computerului. Dimensiunea totală a frigiderului PA6EXB este de 60x60x52,5 mm. La instalarea acestui frigider, pentru un bun schimb de caldura intre calorifer si mediu, este necesar sa se prevada un spatiu deschis in jurul frigiderului de minim 10 mm in sus si 2,5 mm in lateral. Frigiderul PA6EXB asigură o temperatură a procesorului de 62,7 °C cu o putere de disipare de 40 W și o temperatură externă de 45 °C. Având în vedere principiul de funcționare al modulului termoelectric inclus în acest frigider, pentru a evita condensarea umezelii și scurtcircuitele, este necesar să se evite utilizarea programelor care pun procesorul în modul de repaus pentru o perioadă lungă de timp. Prețul aproximativ al unui astfel de frigider este de 65 USD. Prețul indicat este dat în conformitate cu lista de prețuri a companiei pentru mijlocul anului 2000.
Frigiderul DT-P54A (cunoscut și sub numele de Computernerd's PA5B) este proiectat pentru procesoarele Pentium. Cu toate acestea, unele companii care oferă aceste frigidere pe piață îl recomandă și utilizatorilor Cyrix/IBM 6x86 și AMD K6. Radiatorul inclus in frigider este destul de mic. Dimensiunile sale sunt 29x29 mm. Frigiderul are încorporat un senzor de temperatură care vă va anunța dacă este necesar supraîncălzirea. De asemenea, controlează elementul Peltier. Setul include un dispozitiv de monitorizare extern. Îndeplinește funcțiile de monitorizare a tensiunii și a funcționării elementului Peltier în sine, a funcționării ventilatorului, precum și a temperaturii procesorului. Dispozitivul va genera o alarmă dacă elementul Peltier sau ventilatorul se defectează, dacă ventilatorul se rotește la mai puțin de 70% din viteza necesară (4500 RPM) sau dacă temperatura procesorului crește peste 145°F (63°C). Dacă temperatura procesorului crește peste 100 ° F (38 ° C), elementul Peltier este pornit automat, altfel este în modul de oprire. Această din urmă funcție elimină problemele asociate cu condensul umidității. Din păcate, elementul în sine este lipit de radiator atât de strâns încât este imposibil să-l separăm fără a-i distruge structura. Acest lucru face imposibilă instalarea lui pe un alt radiator, mai puternic. În ceea ce privește ventilatorul, designul său se caracterizează printr-un nivel ridicat de fiabilitate și are parametri înalți: tensiune de alimentare - 12 V, viteza de rotație - 4500 RPM, viteza de alimentare cu aer - 6,0 CFM, consum de energie - 1 W, caracteristici de zgomot - 30 dB. Acest frigider este destul de eficient și util pentru overclocking. Cu toate acestea, în unele cazuri de overclockare a procesorului, ar trebui să utilizați pur și simplu un radiator mare și un cooler bun. Acest frigider are un preț între 39 USD și 49 USD. Prețul indicat este dat în conformitate cu lista de prețuri a mai multor companii de la mijlocul anului 2000.
Frigiderul AC-P2 este proiectat pentru procesoarele Pentium II. Setul include un cooler de 60 mm, un radiator și un element Peltier de 40 mm. Nu este potrivit pentru procesoarele Pentium II de 400 MHz și mai mari, deoarece cipurile de memorie SRAM practic nu sunt răcite. Prețul estimat pentru mijlocul anului 2000 este de 59 USD.
Frigiderul PAP2X3B (Fig. 8) este similar cu AOC AC-P2. Două răcitoare de 60 mm i se adaugă. Problemele cu răcirea memoriei SRAM rămân nerezolvate. Este demn de remarcat faptul că frigiderul nu este recomandat să fie utilizat împreună cu programe de răcire, cum ar fi, de exemplu, CpuIdle, precum și sub sistemele de operare Windows NT sau Linux, deoarece este probabilă condensarea umezelii pe procesor. Prețul estimat pentru mijlocul anului 2000 este de 79 USD.
Orez. 8. Aspectul frigiderului PAP2X3B
Frigiderul STEP-UP-53X2 este echipat cu două ventilatoare care pompează o cantitate mare de aer prin calorifer. Preț estimat pentru mijlocul anului 2000 - 79 USD (Pentium II), 69 USD (Celeron).
Frigiderele din seria Bcool de la Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) sunt proiectate pentru procesoarele Pentium II și Celeron și au caracteristici similare celor prezentate în tabelul următor.
Frigidere seria BCool
| Articol | PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier |
PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier |
PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier |
|||||||
| Procesoare recomandate | Pentium II și Celeron | |||||||||
| Numărul de fani | 3 | |||||||||
| Tip ventilator central | Rulment cu bile, tahometru (12 V, 120 mA) | |||||||||
| Dimensiunea ventilatorului central | 60x60x10 mm | |||||||||
| Tip ventilator extern | Rulment cu bile | Rulment cu bile, tahometru | Rulment cu bile, termisor | |||||||
| Dimensiunea ventilatorului extern | 60x60x10 mm | 60x60x25 mm | ||||||||
| Tensiune, curent | 12 V, 90 mA | 12 V, 130 mA | 12 V, 80-225 mA | |||||||
| Zona de acoperire totală a ventilatorului | 84,9 cm 2 | |||||||||
| Curent total pentru ventilatoare (putere) | 300 mA (3,6 W) |
380 mA (4,56 W) |
280-570 mA (3,36-6,84 W) |
|||||||
| Numărul de pini de pe radiatorul (centru) | 63 lungi și 72 scurte | |||||||||
| Numărul de pini de pe radiatorul (fiecare margine) | 45 lungi și 18 scurte | |||||||||
| Numărul total de pini pe radiator | 153 lungi și 108 scurte | |||||||||
| Dimensiuni radiator (centru) | 57x59x27 mm (inclusiv modulul termoelectric) | |||||||||
| Dimensiunile radiatorului (fiecare margine) | 41x59x32 mm | |||||||||
| Dimensiuni generale radiator | 145x59x38 mm (inclusiv modulul termoelectric) | |||||||||
| Dimensiunile generale ale frigiderului | 145x60x50 mm | 145x60x65 mm | ||||||||
| Greutatea frigiderului | 357 de grame | 416 grame | 422 de grame | |||||||
| Garanţie | 5 ani | |||||||||
| Preț estimativ (2000) | $74.95 | $79.95 | $84.95 | |||||||
De menționat că grupul de frigidere BCool va include și dispozitive care au caracteristici similare, dar nu au elemente Peltier. Astfel de frigidere sunt în mod natural mai ieftine, dar și mai puțin eficiente ca mijloc de răcire a componentelor computerului.
La pregătirea acestui articol s-au folosit materiale din cartea „PC: Setări, Optimizare și Overclocking”. Ed. a II-a, revizuită. și suplimentar, - Sankt Petersburg: BHV - Petersburg. 2000. - 336 p.
EFECT PELTIER
EFECT PELTIER
Eliberare sau încălzire în timpul trecerii energiei electrice. curent I prin contactul a două diferite. conductoare. Degajarea de căldură este înlocuită cu absorbția atunci când direcția curentului se schimbă. franceză deschisă fizicianul J. Peltier în 1834. Cantitatea de căldură Qp=PI, unde P este coeficientul Peltier, egal cu: P=TDa. Aici T este abs. temp-pa, Da-diferență termoelectrică. coeficient conductoare.
P. e. explicată prin faptul că cf. purtătorii de curent depinde de energia lor. spectrul, concentrația și mecanismele de împrăștiere a acestora și, prin urmare, variază în diferiți conductori. Când se deplasează de la un conductor la altul, electronii fie transferă excesul de energie către atomi, fie completează lipsa de energie pe cheltuiala lor. În primul caz, Peltier este eliberat în apropierea contactului, iar în al doilea, Peltier este absorbit. În timpul tranziției electronilor de la un semiconductor la un metal, energia electronilor de conductivitate ai PP este semnificativ mai mare decât nivelul Fermi al metalului, iar electronii renunță la excesul de energie. Când curentul este direcționat în direcția opusă, numai acei electroni a căror energie este deasupra fundului zonei de conducere a PP pot trece din metal în PP. Echilibrul termic din metal este perturbat și restabilit din cauza vibrațiilor termice ale cristalelor. grătare. În acest caz, căldura Peltier este absorbită. La contactul a două PP sau două metale, căldura Peltier este de asemenea eliberată (sau absorbită) datorită faptului că cf. Energia purtătorilor de sarcină de pe ambele părți ale contactului este diferită.
P. e. utilizat pentru răcire în unitățile frigorifice și în anumite dispozitive electronice.
Dicționar enciclopedic fizic.. . 1983 .
EFECT PELTIER
- M.: Enciclopedia Sovietică Eliberarea sau absorbția de căldură la contactul a doi conductori diferiți, în funcție de direcția energiei electrice. curent care curge prin contact. Descoperit de J. Peltier în 1834. Puterea de eliberare a căldurii Q = P 12 j = P 12, Unde - densitatea curentului, P 12 = P 1 - P 2 (P 1, P 2 - coeficientul Peltier absolut al materialelor de contact, care sunt caracteristici ale acestor materiale). Cauza P. e. este că cf. energia purtătorilor de sarcină (pentru certitudinea electronilor) care participă la conductivitatea electrică, în decomp. conductorii este diferit, deoarece depinde de energia lor. spectrul, concentrarea și mecanismul de împrăștiere (vezi. Când se deplasează de la un conductor la altul, electronii fie transferă excesul de energie către rețea, fie completează lipsa de energie pe cheltuiala acesteia (în funcție de direcția curentului). În primul caz, lângă contact este eliberat, iar în al doilea, așa-numitul este absorbit. căldură Peltier. De exemplu, la un contact semiconductor-metal (Fig.), energia electronilor care trece de la semiconductor n-tip în metal (contact stânga), depășește semnificativ energia Fermi. Prin urmare, se sparg în metal. Echilibrul este restabilit ca urmare a ciocnirilor, în timpul cărora electronii sunt termicizați, eliberând excesul de energie către cristalin. grătar. Doar cei mai energici electroni pot trece într-un semiconductor metalic (contactul drept), în urma căruia gazul de electroni din metal este răcit. Energia vibrațiilor rețelei este consumată pentru a restabili distribuția de echilibru.
Efectul Peltier asupra contactelor semiconductoare n- tip - metal - nivel Fermi - partea de jos a benzii de conducție a unui semiconductor: - partea de sus a benzii de valență;
La contactul a doi semiconductori sau două metale, căldura Peltier este de asemenea eliberată (sau absorbită), datorită faptului că cf. energia purtătorilor de sarcină care participă la curent de ambele părți ale contactului este diferită.
Expresie pentru abs. coeficient Peltier P (purtători de sarcină - electroni) are forma
Unde . - cinetic energie și electroni, f 1 - partea neechilibră a funcției de distribuție a electronilor, - densitatea stărilor. După cum se poate vedea din (1), coeficient. P reprezintă abaterea medie. energia purtătorilor în fluxul din energia Fermi pe unitate de sarcină. Pentru a determina P, trebuie să cunoașteți funcția și să găsiți, adică să rezolvați cinetica. nivel. În cazul parabolicului legea de dispersie a conductibilității electronilor ( p)(pag- cvasi-momentul) și dependența de legea puterii a căii libere medii . asupra energiei în absenţa degenerării în coeficientul semiconductorului. P este determinat de
Aici este parametrul de împrăștiere, T - abs. temp-pa (vezi Imprăștirea purtătorului de încărcareîntr-un solid); măsurată de la baza benzii de conducere.
După cum se poate vedea din (2), eP dar abs. valoarea poate ajunge la zeci kT. Cu o creștere a concentrației de electroni într-un conductor degenerat sau o scădere T valoarea lui P scade cu 
Coef. Peltier este legat de coeficient. termoputere t. P= T.
Acest lucru face posibilă utilizarea rezultatelor microscopice pentru a evalua rezultatele. teorii pentru Coef. Peltier, care este o tehnologie importantă. Caracteristicile materialelor, de regulă, nu sunt măsurate, ci sunt calculate prin măsurarea lor mai simplă.
P. e. folosit în termoelectrice frigidere și termostate, precum și pentru a controla procesul de cristalizare datorită degajării sau absorbției de căldură la limita fazelor lichide și solide la trecerea energiei electrice. actual
Lit.: Anselm A.I., Introducere în teoria semiconductorilor, ed. a II-a, M., 1978; Askerov B. M., Fenomene de transfer electronic în semiconductori, M., 1985; Seeger K., Fizica semiconductorilor, 3. M. Daşevski.
Enciclopedie fizică. În 5 volume. - M.: Enciclopedia Sovietică. Redactor-șef A. M. Prohorov. 1988 .
Vedeți ce este „EFECTUL PELTIER” în alte dicționare:
Eliberarea sau absorbția de căldură atunci când curentul trece printr-un contact (joncțiune) a doi conductori diferiți. Cantitatea de căldură este proporțională cu puterea curentului. Folosit în unitățile frigorifice. Deschis în 1834 de J. Peltier. * * * EFECT PELTIER EFECT PELTIER ... Dicţionar enciclopedic
Efectul Peltier este procesul de eliberare sau absorbție a căldurii atunci când un curent electric trece prin contactul a doi conductori diferiți. Cantitatea de căldură generată și semnul acesteia depind de tipul de substanțe în contact, puterea curentului și timpul de tranzit... ... Wikipedia
Eliberarea sau absorbția de căldură atunci când curentul trece printr-un contact (joncțiune) a doi conductori diferiți. Cantitatea de căldură este proporțională cu puterea curentului. Folosit în unitățile frigorifice. Deschis în 1834 de J. Pelletier... Dicţionar enciclopedic mare
Eliberarea sau absorbția de căldură atunci când un curent electric trece printr-un contact (joncțiune) a doi conductori diferiți. Degajarea de căldură este înlocuită cu absorbția atunci când direcția curentului se schimbă. Descoperit de J. Peltier în 1834. Suma alocată sau...
Efectul Peltier este un fenomen termoelectric în care căldura este eliberată sau absorbită atunci când un curent electric trece în punctul de contact (joncțiune) a doi conductori diferiți. Cantitatea de căldură generată și semnul acesteia depind de tipul... Wikipedia
Efectul Seebeck este apariția EMF într-un circuit electric închis format din conductori diferiți conectați în serie, contactele dintre care sunt la temperaturi diferite. Efectul Seebeck mai este numit uneori... ... Wikipedia
Peltier Jean Charles Athanaz (22.2.1785, Am, Somme, ‒ 27.10.1845, Paris), fizician și meteorolog francez. A lucrat ca ceasornicar la A.L. Breguet. După ce a primit o moștenire (1815), s-a dedicat științei. Lucrări științifice pe termoelectricitate,...... Marea Enciclopedie Sovietică
Efectul Thomson este unul dintre fenomenele termoelectrice, care constă în faptul că într-un conductor omogen încălzit neuniform cu un curent continuu, pe lângă căldura degajată conform legii Joule Lenz, în volum ... ... Wikipedia
Jean Charles Peltier fr. Jean Charles Peltier Jean Peltier Data nașterii ... Wikipedia
Fenomene termoelectrice ... Wikipedia
Agenția Federală pentru Educație a Federației Ruse
Universitatea Tehnică de Stat Bryansk
Departamentul de Fizică Generală
Lucrări de curs
Efectul Peltier și aplicarea acestuia
la disciplina "Fizica"
Student gr. 07-EUP 2
Shapoval N.V.
Supraveghetor
Cur. Krayushkina E.Yu.
Bryansk 2008
INTRODUCERE
1. EFECT PELTIER
1.1 Descoperirea efectului Peltier
1.2 Explicația efectului Peltier
2. APLICAREA EFECTULUI PELTIER
2.1 Module Peltier
2.2 Caracteristicile de funcționare ale modulelor Peltier
2.3 Aplicarea efectului Peltier
CONCLUZIE
LISTA DE REFERINȚE UTILIZATE
Gândirea științifică are capacitatea de a fi înaintea timpului său. Descoperirile făcute de oamenii de știință permit generațiilor viitoare, ghidate de acestea, să creeze dispozitive și dispozitive care îmbunătățesc viața umană; găsi noi modalități de a-și proteja sănătatea și bunăstarea. Iar fenomenul descoperit în 1834 de ceasornicarul Jean-Charles Peltier și numit mai târziu „Efectul Peltier” nu a făcut excepție. Prin urmare, efectul care a avut loc în începutul XIX secole, este și astăzi relevantă.
Posibilitățile de aplicare a acestuia sunt nelimitate. Multe laboratoare și centre de cercetare dezvoltă modalități de utilizare, deoarece descoperirea făcută de omul de știință francez face posibilă ca viața umană să fie confortabilă, plină de culoare, iar beneficiile civilizației accesibile unei game largi de consumatori.
In aceasta munca de curs ne vom uita la fenomenul Peltier și aplicațiile sale.
1.1 Descoperirea efectului Peltier
Efectul Peltier a fost descoperit de francezul Jean-Charles Peltier în 1834. În timpul unuia dintre experimentele sale, el a trecut un curent electric printr-o bandă de bismut cu conductori de cupru conectați la ea (Fig. 1.1.). În timpul experimentului, el a descoperit că un compus de bismut-cupru se încălzește, celălalt se răcește.
Orez. 1.1 - Schema experimentală de măsurare a căldurii Peltier
Peltier însuși nu a înțeles pe deplin esența fenomenului pe care l-a descoperit. Adevăratul sens al fenomenului a fost explicat mai târziu în 1838. Lenz.
În experimentul său, Lenz a experimentat cu o picătură de apă plasată la joncțiunea a doi conductori (bismut și antimoniu). Când un curent a fost trecut într-o direcție, o picătură de apă a înghețat, iar când se schimba direcția curentului, s-a topit. Astfel, s-a stabilit că atunci când curentul trece prin contactul a doi conductori, căldura este eliberată într-o direcție și absorbită în cealaltă. Acest fenomen a fost numit Efectul Peltier .
Căldura Peltier este proporțională cu puterea curentului și poate fi exprimată prin formula:
Q p = P ·q
Unde q- sarcina trecută prin contact, P- așa-numitul coeficient Peltier, care depinde de natura materialelor de contact și de temperatura acestora. Coeficientul Peltier poate fi exprimat în termenii coeficientului Thompson:
P = T
Unde o- coeficientul Thompson, T– temperatura absolută.
Trebuie remarcat faptul că coeficientul Peltier depinde în mod semnificativ de temperatură. Unele valori ale coeficientului Peltier pentru diferite perechi de metale sunt prezentate în Tabelul 1.
Tabelul 1
| Valorile coeficientului Peltier pentru diferite perechi de metale | |||||
| Fier-constantan | Cupru-nichel | Plumb-constantan | |||
| T, K | P, mV | T, K | P, mV | T, K | P, mV |
| 273 | 13,0 | 292 | 8,0 | 293 | 8,7 |
| 299 | 15,0 | 328 | 9,0 | 383 | 11,8 |
| 403 | 19,0 | 478 | 10,3 | 508 | 16,0 |
| 513 | 26,0 | 563 | 8,6 | 578 | 18,7 |
| 593 | 34,0 | 613 | 8,0 | 633 | 20,6 |
| 833 | 52,0 | 718 | 10,0 | 713 | 23,4 |
Cantitatea de căldură Peltier generată și semnul acesteia depind de tipul de substanțe în contact, de puterea curentului și de timpul trecerii acestuia, prin urmare Qp poate fi exprimat printr-o altă formulă:
dQ n = P12CHICHdt.
Aici P12=P1-P2 este coeficientul Peltier pentru un contact dat, asociat cu coeficienții Peltier absoluti P1 și P2 ai materialelor în contact. În acest caz, se presupune că curentul curge de la prima probă la a doua. Când căldura Peltier este eliberată, avem: Qp>0, P12>0, P1>P2.
Când căldura Peltier este absorbită, este considerată negativă și, în consecință: Qp<0, П12<0, П1<П2. Очевидно, что П12=-П21.
Dimensiunea coeficientului Peltier este [P]SI=J/Cl=V.
Teoria clasică explică fenomenul Peltier prin faptul că atunci când electronii sunt transferați prin curent de la un metal la altul, aceștia sunt accelerați sau încetiniți de diferența internă de potențial de contact dintre metale. Când este accelerată, energia cinetică a electronilor crește și este apoi eliberată sub formă de căldură. În cazul opus, energia cinetică scade, iar energia este completată datorită energiei vibrațiilor termice ale atomilor celui de-al doilea conductor, așa că începe să se răcească. O considerație mai completă ia în considerare modificarea nu numai a potențialului, ci și a energiei totale.
În fig. 1.2. si orez 1.3. prezintă un circuit închis format din doi semiconductori diferiți PP1 și PP2 cu contactele A și B.
Orez. 1.2 - Degajare de căldură Peltier (contact A)
Orez. 1.3 - Absorbția căldurii Peltier (contact A)
Un astfel de circuit este de obicei numit termoelement, iar ramurile sale sunt numite termoelectrozi. Un curent I creat de o sursă externă e circulă prin circuit. Orez. 1.2. ilustrează situația când la contactul A (curentul curge de la PP1 la PP2) căldura Peltier este eliberată Qp (A)>0, iar la contactul B (curentul este direcționat de la PP2 la PP1) absorbția sa este Qp (B)<0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА>TELEVIZOR.
În fig. 1.3. schimbarea semnului sursei schimbă direcția curentului în sens opus: de la PP2 la PP1 la contactul A și de la PP1 la PP2 la contactul B. În consecință, semnul căldurii Peltier și relația dintre temperaturile de contact se modifică: Qp (O)<0, ТА<ТВ.
Motivul apariției efectului Peltier la contactul semiconductorilor cu același tip de purtători de curent (doi semiconductori de tip n sau doi semiconductori de tip p) este același ca și în cazul contactului a doi conductori metalici. Purtătorii de curent (electroni sau găuri) de pe diferite părți ale joncțiunii au energii medii diferite, care depind de multe motive: spectrul energetic, concentrația, mecanismul de împrăștiere a purtătorului de sarcină. Dacă purtătorii, trecând prin joncțiune, intră într-o zonă cu energie mai mică, ei transferă excesul de energie către rețeaua cristalină, drept urmare căldura Peltier (Qp>0) este eliberată în apropierea contactului și temperatura de contact crește. În acest caz, la cealaltă joncțiune, purtătorii, deplasându-se într-o regiune cu energie mai mare, împrumută energia lipsă din rețea, iar căldura Peltier este absorbită (Qp<0) и понижение температуры.
Efectul Peltier, ca toate fenomenele termoelectrice, este deosebit de pronunțat în circuitele compuse din semiconductori electronici (tip n) și orificiu (tip p). În acest caz, efectul Peltier are o altă explicație. Să luăm în considerare situația în care curentul din contact trece de la un semiconductor cu gaură la unul electronic (р®n). În acest caz, electronii și găurile se mișcă unul spre celălalt și, după ce s-au întâlnit, se recombină. Ca rezultat al recombinării, se eliberează energie, care este eliberată sub formă de căldură. Această situație este prezentată în Fig. 1.4., care prezintă benzile de energie (ec - bandă de conducție, ev - bandă de valență) pentru semiconductori de impurități cu orificiu și conductivitate electronică.
Orez. 1.4 - Generarea de căldură Peltier la contactul semiconductorilor de tip p și n
În fig. 1.5. (ec - bandă de conducție, ev - bandă de valență) ilustrează absorbția de căldură Peltier pentru cazul în care curentul trece de la n la p-semiconductor (n ® p).
Orez. 1.5 - Absorbția căldurii Peltier la contactul semiconductorilor de tip p și n
Aici, electronii dintr-un semiconductor electronic și găurile dintr-un semiconductor de gaură se mișcă în direcții opuse, îndepărtându-se de interfață. Pierderea purtătorilor de curent în regiunea de limită este compensată de producția în perechi de electroni și găuri. Formarea unor astfel de perechi necesită energie, care este furnizată de vibrațiile termice ale atomilor rețelei. Electronii și găurile rezultate sunt atrași în direcții opuse de câmpul electric. Prin urmare, atâta timp cât curentul trece prin contact, se nasc continuu noi perechi. Ca rezultat, căldura va fi absorbită în contact.
Utilizarea diferitelor tipuri de semiconductori în modulele termoelectrice este prezentată în Fig. 1.6.
Orez. 1.6 - Utilizarea structurilor semiconductoare în module termoelectrice
Acest circuit permite crearea unor elemente de răcire eficiente.
2.1 Module Peltier
Combinarea unui număr mare de perechi de semiconductori de tip p și n face posibilă crearea de elemente de răcire - module Peltier de putere relativ mare. Structura unui modul Peltier termoelectric semiconductor este prezentată în Fig. 2.1.
Orez. 2.1 - Structura modulului Peltier
Modulul Peltier este un frigider termoelectric format din semiconductori de tip p și n conectați în serie, formând joncțiuni p-n- și n-p. Fiecare dintre aceste joncțiuni are contact termic cu unul dintre cele două radiatoare. Ca urmare a trecerii unui curent electric de o anumită polaritate, între radiatoarele modulului Peltier se formează o diferență de temperatură: un radiator funcționează ca un frigider, celălalt radiator se încălzește și servește la îndepărtarea căldurii. În fig. 2.2. Este prezentat aspectul unui modul tipic Peltier.
Efectul Peltier este un proces însoțit de apariția unei diferențe de temperatură între două materiale diferite atunci când un curent electric trece prin ele. Mai întâi explicat de academicianul și inventatorul Lenz.
Mulțumiri
Nu putem ignora recunoștința Academiei de Științe a URSS și a academicianului A.F. Ioffe pentru munca sa extraordinară privind dezvoltarea termoelectricității în URSS și pentru aducerea rezultatelor cercetării în atenția publicului.
Aplicabilitate
Efectul Peltier este utilizat pentru răcire încălzirea este posibilă de orice conductor conform legii Joule-Lenz. Prin urmare, fenomenul este util:
- Pentru a crea frigidere de joasă tensiune și curent continuu. Cu posibilitate de încălzire la schimbarea polarității puterii. În Occident, așa sunt proiectate dispozitivele de fabricare a sandvișurilor de călătorie. Frigul împiedică stricarea produsului, polaritatea inversă vă permite să serviți produsul cald.
- Răcitoarele pentru procesoare au o contribuție semnificativă la caracteristicile generale de zgomot ale unității de sistem. Dacă le înlocuiți cu elemente Peltier, uneori este suficient un ventilator comun. Nu este atât de zgomotos, carcasa nu are un radiator puternic, iar montarea este fiabilă (spre deosebire de materialul plăcii de bază).
Dezvoltarea teoriei răcirii
Efectul Peltier nu a atras atenția oamenilor de știință și părea inutil. Deschis în 1834, a strâns praf pe rafturile bibliotecilor științifice timp de mai bine de un secol înainte de a începe să se găsească primele soluții tehnice semnificative în acest domeniu. De exemplu, Altenkirch (1911) a declarat imposibilitatea utilizării efectului Peltier în unitățile frigorifice, în calculele sale, s-a bazat pe utilizarea metalelor pure în locul aliajelor și semiconductorilor.
Eroarele concluziilor omului de știință german a fost confirmată mai târziu, în care un rol semnificativ a fost jucat de laboratorul de semiconductori al Academiei de Științe a URSS. Până în 1950, a fost creată o teorie coerentă care, în următorii câțiva ani, a făcut posibilă crearea primului frigider electrotermic. Cu o eficiență relativ scăzută de 20%, dispozitivul a scăzut temperatura cu 24 de grade, ceea ce în majoritatea cazurilor a fost suficient pentru uz casnic. Ani mai târziu, diferența de temperatură era deja de 60 de grade.
În fizica anilor 50, elementul Peltier era considerat o mașină de refrigerare cu gaz de electroni în loc de freon. În consecință, sistemul a fost revizuit. Parametrul principal este coeficientul de refrigerare, raportul dintre cantitatea de căldură luată pe unitatea de timp și puterea cheltuită pe acesta. Pentru aparatele de aer condiționat și frigiderele moderne cu freon, cifra depășește unu. În anii 50, elementul Peltier abia ajungea la 20%.
Efectul din punct de vedere al termodinamicii
Efectul Peltier este descris printr-o formulă care arată câtă energie este transferată la o anumită cantitate de curent electric. Exprimând-o în unități de timp, se găsește puterea dispozitivului, pe baza căreia se determină nevoile frigiderului. Elementele Peltier silențioase pentru răcitoarele de procesoare sunt populare astăzi. O placă mică răcește matrița și este răcită de radiatorul răcitorului. Elementul Peltier servește ca o pompă de căldură, care este garantat să elimine căldura din procesorul central, prevenind supraîncălzirea acestuia.
În formula din figură, alfa denotă coeficienții de termo-EMF ai jumătăților (componentelor) elementului. T – temperatura de funcționare în grade Kelvin. În fiecare element, de regulă, există un efect secundar al lui Thomson: dacă un curent trece printr-un conductor și există un gradient de temperatură (diferență de direcție) de-a lungul liniei, va fi eliberată și altă căldură, în plus față de căldura Joule. Acesta din urmă poartă numele de Thomson. În anumite secțiuni ale lanțului, energia va fi absorbită. Aceasta înseamnă că efectul Thomson are o influență puternică asupra funcționării încălzitoarelor și frigiderelor. Dar este, după cum s-a spus deja, un factor secundar, nesocotit.
Din formulări rezultă că o soluție eficientă pentru a obține eficiența maximă va fi izolarea termică între joncțiuni. Perechea folosește semiconductori care sunt capabili să genereze termo-EMF, curentul electric trebuie să-și depășească rezistența. Energia cheltuită este proporțională cu diferența de temperatură și diferența dintre coeficienții termo-EMF ai substanțelor și depinde de curentul care curge. Graficele de dependență reprezintă curbe, iar diferențierea acestora pentru a găsi extreme se pot obține condițiile pentru realizarea diferenței maxime de temperatură (între cameră și frigider).
Cifrele arată rezultatele operației derivate, unde se calculează curenții optimi pentru rezistența R a termocuplului și creșterea maximă a efectului frigorific. Din aceste formule rezultă că se va obține o mașină ideală dacă:
- Conductivitatea electrică a materialelor termocuplului este aceeași.
- Conductivitatea termică a materialelor termocuplurilor este aceeași.
- Coeficienții termo-EMF sunt aceiași, dar semn opus.
- Secțiunile și lungimile ramurilor termocuplului sunt aceleași.
Este dificil să implementezi aceste condiții în practică. În acest caz, coeficientul limitator de performanță este egal cu raportul dintre temperatura joncțiunii rece și diferența de temperatură. Să ne amintim că aceasta este o caracteristică a unei mașini ideale, dar în realitate este încă de neatins.
Cum să optimizați funcționarea unei mașini de refrigerare folosind elemente Peltier
Figurile prezintă grafice ale cantităților care afectează eficiența elementelor Peltier. Primul lucru care vă atrage atenția este că coeficientul termo-emf tinde spre zero pe măsură ce crește concentrația purtătorilor de sarcină. Acesta este un memento că metalele nu sunt considerate cele mai bune materiale pentru fabricarea termocuplurilor. Conductivitatea termică, dimpotrivă, crește. În termodinamică, se crede că constă din două componente:
- Conductivitatea termică a rețelei cristaline.
- Conductivitatea termică este electronică. Din motive evidente, această componentă depinde de concentrația purtătorilor de sarcină liberă și determină creșterea curbei din graficul prezentat. Conductivitatea termică a rețelei cristaline rămâne aproape constantă.
Cercetătorii sunt interesați de produsul dintre pătratul coeficientului termo-emf și conductivitatea electrică. Valoarea menționată se află la numărătorul expresiei pentru coeficientul de performanță. Conform datelor, extremul este observat la o concentrație de purtători liberi în regiunea de 10 până la a 19-a putere de unități pe centimetru cub. Aceasta este cu trei ordine de mărime mai mică decât cea observată la metalele pure, din care rezultă direct concluzia că semiconductorii vor fi materialul ideal pentru elementele Peltier.
Ponderea celei de-a doua componente este deja relativ mică în direcția mai mică de-a lungul axei absciselor, este de asemenea posibil să se preia materiale din acest interval. Conductivitatea electrică a dielectricilor este prea scăzută, ceea ce explică imposibilitatea utilizării lor în acest context. Toate acestea ne permit să stabilim motivul pentru care concluziile lui Altenkirch nu sunt luate în serios.
Teoria cuantică aplicată elementelor Peltier
Termodinamica nu permite un calcul exact, dar descrie calitativ procesul de selectare a materialelor pentru elementele Peltier. Pentru a corecta situația, fizicienii fac apel la teoria cuantică pentru a ajuta. Funcționează cu aceleași valori, exprimate prin concentrația purtătorilor de sarcină liberă, potențialul chimic și constanta lui Boltzmann. Astfel de teorii mai sunt numite în mod obișnuit cinetice (sau microscopice), deoarece este luată în considerare lumea iluzorie și necunoscută a celor mai mici particule. Printre denumiri se numără:
- I este calea liberă a purtătorilor de taxe. Depinde de temperatura. Rezultatul este determinat de indicele de grad al mecanismului de împrăștiere a electronilor r (pentru rețelele atomice acesta este 0; pentru rețelele ionice și temperaturile sub cel Debye - 0,5; deasupra celui Debye - 1; pentru împrăștierea prin ioni de impurități - 2).
- f este funcția de distribuție Fermi (peste niveluri de energie).
- x este energia cinetică redusă a purtătorilor de sarcină.
Integralele funcțiilor Fermi sunt enumerate în tabele calculul lor nu este dificil. Ecuațiile teoriei microscopice sunt rezolvate în funcție de coeficienții de termo-EMF și conductivitate electrică, ceea ce permite găsirea coeficientului de refrigerare. Aceste operații complexe au fost efectuate de B.I. Bock, care a descoperit că valoarea optimă a coeficientului Seebeck este în intervalul între 150 și 400 μV/K, dar depinde de gradul mecanismului de împrăștiere. La prima vedere, este clar că valorile nu sunt respectate pentru metale. Drept urmare, un grup de fizicieni condus de Ioffe a arătat că cel mai bun material pentru termocupluri trebuie să îndeplinească o serie de condiții:
- Raportul maxim dintre mobilitatea purtătorului și coeficientul de conductivitate termică al rețelei cristaline.
- Concentrația purtătorului conform formulei prezentate în figură.
V.P. Iată care arată care substanțe au mobilitatea necesară. Structura lor cristalină se află la jumătatea distanței dintre atomic și metal. Introducerea impurităților într-un material reduce întotdeauna mobilitatea. Aceasta explică faptul că coeficientul termo-emf pentru aliaje este mai mare decât pentru materialele pure. Dar impuritățile cresc r. Pentru o substanță ideală care nu există în natură, coeficientul termo-EMF ar trebui să mențină o valoare constantă egală cu 172 μV/K. Este necesar ca concentrația să se modifice conform legii indicate în figură (vezi paragraful 2).
Semiconductorii se disting prin capacitatea de a selecta materiale în care concentrația purtătorilor de sarcină depinde de temperatură și de a le găsi pe cele în care diferența este aproape zero. Combinând aceste calități, este posibil să încercăm să găsim materialul cel mai apropiat de ideal.
Modele de frigidere
Pentru a spori efectul, elementele Peltier sunt combinate în paralel. În același timp, puterile lor se adună. Pentru a vă proiecta propriile frigidere, trebuie să fiți conștienți de calculul pierderilor de căldură prin structuri plane. Au fost create calculatoare speciale, multe sunt disponibile online.
Proiectarea la întâmplare este neprofitabilă din motive evidente. Vestea bună este că elementele Peltier au scăzut semnificativ din preț în ultimii ani. Pe Ali Express, cumpărați produse de 60 W din China pentru 300 de ruble. Nu este greu să vezi că poți asambla un frigider pentru 3000. Și ce temperatură se va menține depinde de designul care necesită calcul.
