Эффект Пельтье и его применение

Федеральное агентство по образованию РФ

Брянский государственный технический университет

Кафедра «Общая физика»

Курсовая работа

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 обладает способностью опережать время. Открытия, сделанные ученными, позволяют будущим поколениям, руководствуясь ими, создавать улучшающие жизнь человека приборы и приспособления; находить новые способы защиты его здоровья и благополучия. И явление, открытое в 1834 году часовщиком Жаном-Шарлем Пельтье и названное позже «Эффектом Пельтье», не стало исключением. Поэтому эффект, имевший место в начале XIX века, актуален и сейчас.

Возможности его применения неограниченны. Множество лабораторий и исследовательских центров занимаются разработкой способов его применения, потому что открытие, сделанное французским ученым, позволяет сделать жизнь человека комфортной, красочной, а блага цивилизации – доступными широкому кругу потребителей.

В данной курсовой работе мы рассмотрим явление Пельтье и его применение.

1. ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ

 

1.1 Открытие эффекта Пельтье

 

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками (рис. 1.1.). В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое – остывает.

Рис. 1.1 - Схема опыта для измерения тепла Пельтье

Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснен в 1838г. Ленцем.

В своём опыте Ленц экспериментировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока - таяла. Тем самым было установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом - поглощается. Данное явление было названо эффектом Пельтье.

1.2 Объяснение эффекта Пельтье

Тепло Пельтье пропорционально силе тока и может быть выражено формулой:

 

Q_п = 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 - коэффициент Томпсона, Т – абсолютная температура.

Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице 1.

 

Таблица 1

Значения 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

Величина выделяемого тепла Пельтье и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его прохождения, поэтому Qп может быть выражено еще одной 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, что ток идет от первого образца ко второму. При выделении тепла Пельтье имеем: Qп>0, П12>0, П1>П2.

При поглощении тепла Пельтье оно считается отрицательным и соответственно: Qп<0, П12<0, П1<П2. Очевидно, что П12=-П21.

Размерность коэффициента Пельтье [П]СИ=Дж/Кл=В.

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

На рис. 1.2. и рис. 1.3. изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами А и В.

Рис. 1.2 - Выделение тепла Пельтье (контакт А)

 

Рис. 1.3 - Поглощение тепла Пельтье (контакт А)

Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви - термоэлектродами. Через цепь течет ток 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) его поглощение - Qп (В)<0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА>ТВ.

На рис. 1.3. изменение знака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте А и от ПП1 к ПП2 на контакте В. Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурами контактов: Qп (А)<0, ТА<ТВ.

Причина возникновения эффекта Пельтье на контакте полупроводников с одинаковым видом носителей тока (два полупроводника n-типа или два полупроводника p-типа) такая же, как и в случае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье (Qп>0) и температура контакта повышается. При этом на другом спае носители, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки, происходит поглощение теплоты Пельтье (Qп<0) и понижение температуры.

Эффект Пельтье, как и все термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из электронных (n - тип) и дырочных (р - тип) полупроводников. В этом случае эффект Пельтье имеет другое объяснение. Рассмотрим ситуацию, когда ток в контакте 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, которая выделяется в виде тепла. Эта ситуация рассмотрена на рис. 1.4., где изображены энергетические зоны (ec- зона проводимости,ev- валентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью.

Рис. 1.4 - Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников p и n-типа

На рис. 1.5. (ec - зона проводимости, ev - валентная зона) иллюстрируется поглощение тепла Пельтье для случая, когда ток идет от n к p-полупроводнику (n ® p).

Рис. 1.5 - Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников p и n-типа

Здесь электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться.

Применение полупроводников разных типов в термоэлектрических модулях представлено на рис. 1.6.

Рис. 1.6 - Использование полупроводниковых структур в термоэлектрических модулях

Такая цепь позволяет создавать эффективные охлаждающие элементы.