Эффект Пельтье и его применение

Федеральноеагентство по образованию РФ
Брянский государственный техническийуниверситет
Кафедра «Общая физика»
Курсоваяработа
Эффект Пельтье и его применение
по дисциплине «Физика»
Студентка гр. 07-ЭУП 2
Шаповал Н.В.
Руководитель
асс. Краюшкина Е.Ю.
Брянск 2008

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ
1.1 Открытие эффекта Пельтье
1.2 Объяснение эффекта Пельтье
2. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ПЕЛЬТЬЕ
2.1 Модули Пельтье
2.2 Особенности эксплуатации модулей Пельтье
2.3 Применение эффекта Пельтье
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Научная мысль обладаетспособностью опережать время. Открытия, сделанные ученными, позволяют будущимпоколениям, руководствуясь ими, создавать улучшающие жизнь человека приборы иприспособления; находить новые способы защиты его здоровья и благополучия. Иявление, открытое в 1834 году часовщиком Жаном-Шарлем Пельтье и названное позже«Эффектом Пельтье», не стало исключением. Поэтому эффект, имевший место вначале XIX века, актуален и сейчас.
Возможности егоприменения неограниченны. Множество лабораторий и исследовательских центровзанимаются разработкой способов его применения, потому что открытие, сделанноефранцузским ученым, позволяет сделать жизнь человека комфортной, красочной, аблага цивилизации – доступными широкому кругу потребителей.
В данной курсовой работемы рассмотрим явление Пельтье и его применение.

1. ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ
 
1.1 Открытие эффекта Пельтье
 
Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-ШарлемПельтье в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускалэлектрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней меднымипроводниками (рис. 1.1.). В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединениевисмут-медь нагревается, другое – остывает.
/>
Рис. 1.1 — Схема опыта для измерения тепла Пельтье
Сам Пельтьене понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смыслявления был позже объяснен в 1838г. Ленцем.
В своём опыте Ленцэкспериментировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмутаи сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а приизменении направления тока — таяла. Тем самым было установлено, что припрохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепловыделяется, в другом — поглощается. Данное явление было названо эффектомПельтье.

1.2 Объяснение эффекта Пельтье
Тепло Пельтьепропорционально силе тока и может быть выражено формулой:
 
Qп= П ·q
где q — заряд прошедший через контакт, П — так называемый коэффициент Пельтье,который зависит от природы контактирующих материалов и их температуры.Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томпсона:
 
П = T
 
где a— коэффициентТомпсона, Т – абсолютная температура.
Необходимо отметить, чтокоэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры.Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представленыв таблице 1.
 
Таблица 1Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов Железо-константан Медь-никель Свинец-константан T, К П, мВ T, К П, мВ T, К П, мВ 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

Величинавыделяемого тепла Пельтье и его знак зависят от вида контактирующих веществ,силы тока и времени его прохождения, поэтому Qп может быть выражено ещеодной формулой:
 
dQп = П12ЧIЧdt.
Здесь П12=П1-П2 - коэффициент Пельтье для данного контакта,связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье П1 и П2 контактирующих материалов. При этом считается, чтоток идет от первого образца ко второму. При выделении тепла Пельтьеимеем: Qп>0, П12>0, П1>П2.
При поглощении теплаПельтье оно считается отрицательным и соответственно: Qп
Размерность коэффициентаПельтье [П]СИ=Дж/Кл=В.
Классическая теорияобъясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одногометалла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контактнойразностью потенциалов между металлами. В случае ускорения кинетическая энергияэлектронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случаекинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергиитепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом он начинаетохлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не толькопотенциальной, но и полной энергии.
На рис. 1.2. и рис. 1.3.изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 иПП2 с контактами А и В.

/>
Рис. 1.2 — Выделение тепла Пельтье (контакт А)
 
/>
Рис. 1.3 —  Поглощение тепла Пельтье (контакт А)
Такую цепь, принятоназывать термоэлементом, а ее ветви — термоэлектродами. Через цепь течетток I, созданный внешним источником e. Рис. 1.2. иллюстрирует ситуацию, когда на контакте А (ток течет от ПП1 к ПП2) происходит выделение тепла Пельтье Qп (А)>0,а на контакте В (ток направлен от ПП2 к ПП1) егопоглощение - Qп (В)ТВ.
На рис. 1.3. изменениезнака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 наконтакте А и от ПП1 к ПП2 на контакте В.Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурамиконтактов: Qп (А)
Причина возникновенияэффекта Пельтье на контакте полупроводников с одинаковым видом носителей тока(два полупроводника n-типа или два полупроводника p-типа) такая же, как и вслучае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки)по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит отмногих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеянияносителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область сменьшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, врезультате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье (Qп>0)и температура контакта повышается. При этом на другом спае носители, переходя вобласть с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки,происходит поглощение теплоты Пельтье (Qп
Эффект Пельтье, как и всетермоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных изэлектронных (n — тип) и дырочных (р — тип) полупроводников. В этом случаеэффект Пельтье имеет другое объяснение. Рассмотрим ситуацию, когда ток вконтакте идет от дырочного полупроводника к электронному (р®n).При этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись,рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия, котораявыделяется в виде тепла. Эта ситуация рассмотрена на рис. 1.4., где изображеныэнергетические зоны (ec-зона проводимости,ev-валентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электроннойпроводимостью.
/>
Рис. 1.4 — Выделение тепла Пельтье на контактеполупроводников p и n-типа
На рис. 1.5. (ec - зонапроводимости, ev -валентная зона) иллюстрируется поглощение тепла Пельтье для случая, когда токидет от n к p-полупроводнику (n ® p).

/>
Рис. 1.5 — Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников p и n-типа
Здесь электроны вэлектронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположныестороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной областивосполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образованиетаких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомоврешетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороныэлектрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходитрождение новых пар. В результате в контакте теплобудет поглощаться.
Применениеполупроводников разных типов в термоэлектрических модулях представлено на рис.1.6.
/>
Рис. 1.6 — Использованиеполупроводниковых структур в термоэлектрических модулях
Такая цепь позволяетсоздавать эффективные охлаждающие элементы.
2. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ПЕЛЬТЬЕ
 
2.1 МодулиПельтье
Объединение большогоколичества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающиеэлементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структураполупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 2.1.
/>
Рис. 2.1 — Структура модуля Пельтье
Модуль Пельтье,представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательносоединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждыйиз таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. Врезультате прохождения электрического тока определенной полярности образуетсяперепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает какхолодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рис. 2.2.представлен внешний вид типового модуля Пельтье.

/>
Рис. 2.2 — Внешний вид модуля Пельтье
Типичный модульобеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколькодесятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегосярадиатора второй радиатор — холодильник, позволяет достичь отрицательныхзначений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадноевключение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного ихохлаждения. Это позволяет сравнительно простыми средствами получитьзначительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемыхэлементов. На рис. 2.3. представлен пример каскадного включения типовых модулейПельтье.
/>
Рис. 2.3 — Пример каскадного включения модулей Пельтье

Устройстваохлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными холодильникамиПельтье или просто кулерами Пельтье (рис.2.4.).
/>
Рис.2.4 — Внешний вид кулера с модулем Пельтье
Главная характеристикатермоэлектрического охлаждающего устройства – это эффективность охлаждения:
 
Z=a2/(rl),
где a – коэффициент термоэдс;
r – удельное сопротивление;
l – удельнаятеплопроводность полупроводника.
Параметр Z– функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждойзаданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которойвеличина Z максимальна. Введение в полупроводник тех или иных примесей –основное доступное средство изменять его показатели (a, r, l) в желательную сторону.
Использование модулейПельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными посравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов ивентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров смодулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей,вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры современныхаппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного иприкладного программного обеспечения.
 
2.2 Особенностиэксплуатации модулей Пельтье
Пельтье, применяемые всоставе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительновысокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционнойтехнологии, не имеют движущихся частей. И, как это отмечалось выше, дляувеличения эффективности своей работы они допускают каскадное использование,что позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов доотрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния. Такжемодуль является обратимым, т.е. при смене полярности постоянного тока горячая ихолодная пластины меняются местами.
Однако кроме очевидныхпреимуществ, модули Пельтье обладает и рядом специфических свойств и характеристик,которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающихсредств. Некоторые из них были уже отмечены, но для корректного применениямодулей Пельтье требуют более детального рассмотрения.
К важнейшимхарактеристикам относятся следующие особенности эксплуатации:
§ Модули Пельтье,выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия всоставе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективноотводить избыточное тепло от охлаждающих модулей.
§ Термоэлектрическиемодули отличаются относительно низким коэффициентом полезного действия (кпд) и,выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла.Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующихкомпьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, чтонередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутрикорпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпусасоздает трудности для работы не только для защищаемых элементов и их системохлаждения, но и остальным компонентам компьютера.
§ Модули Пельтьеявляются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания.Потребляемый ими токпревышает 6А. Слишком тонкие провода питания могут не выдержать такой силытока.С учетом значения тока потребления модулей Пельтье величинамощности блока питания компьютера должна быть не менее 250 Вт.
—  Модуль Пельтье, вслучае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера.Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента искорому выходу его из строя от последующего перегрева.
—  Термоэлектрическиемодули соответствуют техническим данным в течение 2-х лет с даты изготовленияпри соблюдении потребителем условий хранения и эксплуатации. Срок хранения иэксплуатации — 15 лет с момента приемки. Из опыта известно, что если толькомодуль не будет нагреваться до температуры плавления олова, он прослужит оченьдолго.
—  Подаваемое намодуль напряжение определяется количеством пар ветвей в модуле. Наиболеераспространенными являются 127-парные модули, величина максимального напряжениядля которых составляет примерно 16 В. На эти модули обычно подается напряжениепитания 12 В. Такой выбор напряжения питания в большинстве случаев являетсяоптимальным и позволяет обеспечить, с одной стороны, достаточную мощностьохлаждения, а с другой стороны, достаточную экономичность. При повышениинапряжения питания более 12 В увеличение холодильной мощности будет слабым, апотребляемая мощность будет резко увеличиваться. При понижении напряженияпитания экономичность будет расти, холодильная мощность будет уменьшаться, нолинейно, что очень удобно для организации плавного регулирования температуры.Для модулей с числом пар ветвей отличным от 127, необходимо учитыватьособенности конкретного устройства, прежде всего, условия теплоотвода с горячейстороны, и возможности источников питания.
—  Большое значениеиграет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера.Модуль малой мощности не обеспечивает необходимый уровень охлаждения, что можетпривести к нарушению работоспособности защищаемого электронного элемента,например, процессора вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишкомбольшой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора доуровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных цепей. Этосвязано с тем, что вода, непрерывно получаемая в результате конденсации, можетпривести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Для исключенияданной опасности целесообразно использовать холодильники Пельтье оптимальноймощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров.
Важнейшими являются:
ü  температура окружающей среды (вданном случае температура воздуха внутри корпуса);
ü  температура охлаждаемого объекта;
ü  влажность воздуха.
Чем теплее воздух внутри корпуса ичем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующийвыход из строя электронных элементов компьютера. Ниже представлена таблица,иллюстрирующая зависимость температуру конденсации влаги на охлаждаемом объектев зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха. Используя этутаблицу, можно легко установить, существует ли опасность конденсации влаги илинет. Например, если внешняя температура 25°C, а влажность 65%, то конденсациявлаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже18°C.
 
Таблица2Влажность, % Температура окружающей среды, °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
Кроме указанныхособенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанныхс использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемыхдля охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров мощныхкомпьютеров.
Архитектура современныхпроцессоров (рис. 2.5.) и некоторые системные программы предусматриваютизменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Это позволяетоптимизировать их энергопотребление. Кстати, это предусмотрено и стандартамиэнергосбережения, поддерживаемыми некоторыми функциями, встроенными ваппаратно-программное обеспечение современных компьютеров. В обычных условияхоптимизация работы процессора и его энергопотребления благотворно сказываетсякак на тепловом режиме самого процессора, так и общем тепловом балансе. Однакоследует отметить, что режимы с периодическим изменением энергопотребления могутплохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующих модулиПельтье. Это связано с тем, что существующие холодильники Пельтье, как правило,рассчитаны на непрерывную работу. В связи с этим, простейшие холодильникиПельтье, не обладающие средствами контроля, не рекомендуется использоватьвместе с охлаждающими программами.
/>
Рис. 2.5 — Процессор смодулем Пельтье
В случае переходапроцессора в режим пониженного энергопотребления и соответственнотепловыделения возможно значительное снижение температуры корпуса и кристаллапроцессора. Переохлаждение ядра процессора может вызвать в некоторых случаяхвременное прекращение его работоспособности, и как результат, стойкое зависаниекомпьютера.
Некоторые проблемы могутвозникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, тех,которые осуществляют управление вентиляторами кулеров. В частности, режимыуправления энергопотреблением процессора в некоторых компьютерных системахпредусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов черезвстроенные аппаратные средства материнской платы. В обычных условиях этозначительно улучшает тепловой режим процессора компьютера. Однако в случаеиспользования простейших холодильников Пельтье уменьшение скорости вращенияможет привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом дляпроцессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье, которыйкроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источникомдополнительного тепла.
Ввиду этого необходимоотметить, что, как и в случае центральных процессоров компьютеров, холодильникиПельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждениявидеочипсетов, используемых в составе современных высокопроизводительныхвидеоадаптеров. Работа таких видеочипсетов сопровождается значительнымтепловыделением и обычно не подвержена резким изменениям режимов ихфункционирования.
Для того чтобы исключитьпроблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающих конденсацию влагииз воздуха и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегревзащищаемых элементов, таких как процессоры компьютеров, следует отказаться отиспользования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако какальтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающиеинтеллектуальные средства управления холодильниками Пельтье. Такие средствамогут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работысамих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров.

2.3 Применение эффекта Пельтье
Элементы Пельтьеприменяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницейтемператур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например,элементы Пельтье применяются в маленьких автомобильных холодильниках,так как применение компрессора в этом случаеневозможно из-за ограниченных размеров и, кроме того, необходимая мощностьохлаждения невелика.
Кроме того элементыПельтье применяются для охлаждения устройств сзарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигаетсязаметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях(например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются дляохлаждения приемников излучения в инфракрасных сенсорах.
Также элементы Пельтьечасто применяются:
1. дляохлаждения и термостатирования диодных лазеров, чтобы стабилизировать длинуволны излучения;
2. в компьютернойтехнике;
3. врадиоэлектрических устройствах;
4. в медицинском ифармацевтическом оборудовании;
5. в бытовойтехнике;
6. в климатическомоборудовании;
7. в термостатах;
8. в оптическойаппаратуре;
9. для управленияпроцессом кристаллизации;
10. как подогрев вцелях отопления;
11. дляохлаждения напитков;
12. влабораторных и научных приборах;
13. вледогенераторах;
14. вкондиционерах;
15. дляполучения электроэнергии;
16. вэлектронных счетчиках расхода воды.
Конечно,охлаждающие устройства Пельтье вряд ли подходят для массового использования.Они достаточно дорогие и требуют правильного режима эксплуатации. Сегодня это,скорее, инструмент для любителей разгона процессоров. Однако в случаенеобходимости сильного охлаждения процессоров кулеры Пельтье являются наиболееэффективными устройствами.
Появились сообщения обэкспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно вмикросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такоерешение способствует лучшему охлаждению за счет снижения тепловогосопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту ипроизводительность процессоров.
Работы в направлениисовершенствования систем обеспечения оптимальных температурных режимовэлектронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. Исистемы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулейПельтье, считаются чрезвычайно перспективными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
После детального изученияэффекта Пельтье можно сделать вывод:
несмотря на то, чтоиспользование эффекта Пельтье требует дополнительных мер и исследований поизучению безопасного и рационального использования модулей Пельтье в качествеохлаждающих устройств, это явление считается чрезвычайно перспективным иполезным для человека цивилизации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
 
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. – 656с.
2.  Н 29 Наркевич И.И.Физика: Учеб./ И.И. Наркевич, Э.И. Вомлянский, С.И. Лобко. – Мн.: Новое знание,2004. – 680 с.
3.  Ф50 Физика:Энциклопедия./ Под. Ред. Ю.В. Прохорова. – М.: Большая Российская Энциклопедия,2003. – 944 с.: ил., 2 л. цв.
4.  Ф50 Физическаяэнциклопедия, т. 5. Стробоскопические приборы – яркость/ Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Балдин, Большая Российская Энциклопедия, 1998. – 760с.