Приложимост на ефекта на Пелтие, същност, оптимизация, квантова теория

Ефектът на Пелтие е процес, при който температурната разлика се появява върху два различни материала при преминаване на електрически ток през тях. Първо обяснено от академик и изобретател Ленц.

Благодарности

Не можем да пренебрегнем благодарността на Академията на науките на СССР и академик А.Ф. Йофе за неговата грандиозна работа за развитието на термоелектричеството в СССР и за представяне на резултатите от изследванията на обществеността.

Приложимост

Ефектът на Пелтие се използва за охлаждане; нагряването е възможно с всеки проводник съгласно закона на Джоул-Ленц. Следователно явлението е полезно:

За създаване на хладилници с ниско напрежение и постоянен ток. С възможност за отопление при промяна на полярността на захранването. На запад така са проектирани производителите на пътни сандвичи. Студът предпазва храната от разваляне, обратната полярност позволява храната да се сервира гореща.
CPU охладителите допринасят значително за общите шумови характеристики на системния блок. Ако ги замените с елементи на Пелтие, понякога е достатъчен общ вентилатор. Не вдига толкова шум, корпусът е лишен от мощен радиатор, а стойката е надеждна (за разлика от материала на дънната платка).

Развитие на теорията за охлаждането

Ефектът на Пелтие не привлече вниманието на учените, изглеждаше безполезен. Отворен през 1834 г., той събира прах по рафтовете на научните библиотеки повече от век, преди да започнат да се появяват първите значими технически решения в тази област. Например, Altenkirch (1911) декларира невъзможността за използване на ефекта на Пелтие в хладилни инсталации, разчитайки на използването на чисти метали в изчисленията, вместо на сплави и полупроводници.

Погрешността на заключенията на немския учен беше потвърдена по-късно, в което значителна роля беше отредена на полупроводниковата лаборатория на Академията на науките на СССР. До 1950 г. е създадена хармонична теория, която дава възможност да се създаде първият електротермален хладилник през следващите няколко години. С относително ниска ефективност от 20%, устройството понижи температурата с 24 градуса, което в повечето случаи беше достатъчно за битови цели. Години по-късно температурната разлика вече беше 60 градуса.

Във физиката през 50-те години елементът на Пелтие се разглежда като хладилна машина с електронен газ вместо фреон. Системата беше прегледана съответно. Основният параметър е хладилният коефициент, съотношението между количеството топлина, взето за единица време, към мощността, която се изразходва за него. За модерните фреонови климатици и хладилници цифрата надвишава единица. През 50-те години елементът на Пелтие едва достига 20%.

Ефект от гледна точка на термодинамиката

Ефектът на Пелтие се описва с формула, показваща колко енергия се предава при дадено количество електрически ток. Изразявайки го във времеви единици, се намира мощността на устройството, въз основа на която се определят нуждите на хладилника. Тихите елементи на Пелтие за процесорни охладители са популярни днес. Малка плоча охлажда кристала и се охлажда от охладителя на охладителя. Елементът на Пелтие служи като термопомпа, която гарантирано отвежда топлината от централния процесор, предотвратявайки прегряване.

Във формулата на фигурата през алфа са посочени коефициентите на термо-ЕМП на половинките (съставни части) на елемента. T е работната температура в градуси по Келвин. Във всеки елемент, като правило, има страничен ефект на Томсън: ако през проводника протича ток и има градиент (разлика в посоката) на температурите по линията, в допълнение към Джоуловата топлина, друга топлина също ще има да бъде освободен. Последният е кръстен на Томсън. В някои части на веригата ще се абсорбира енергия. Това означава, че ефектът на Томсън оказва силно влияние върху работата на нагревателите и хладилниците. Но, както вече споменахме, това е страна, неотчетена фактор.

Топлината, предадена от ефекта на Томсън, е право пропорционална на температурната разлика в краищата на проводника и зависи от количеството на протичащия ток. Явлението се проявява само при вещества с изразена зависимост на коефициента на термо-ЕМП от температурата. В някои изчисления ефектът на Томсън се счита за нула, това е близо до истината. В термодинамичната теория процесът на пренос и извличане на топлина се разглежда от гледна точка на два топлинни потока:

Топлинният поток, получен от охлаждащия възел, е придружен от два паралелни процеса:

Паразитно отделяне на топлина съгласно закона на Джоул-Ленц. В термодинамиката се приема като половината от произведението на квадрата на тока и съпротивлението. Другата половина пада върху горещия спа център.
Поток на отопление чрез топлина, идваща от топлата част. Равно на температурната разлика, умножена по общата топлопроводимост на краката на термоелемента.