Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

Начало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.

О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики – термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.

Проблема охлаждения тогда не была такой острой, как сегодня. Поэтому к эффекту Пельтье обратились только спустя почти два столетия, когда появились электронные устройства, для работы которых потребовались миниатюрные системы охлаждения. Достоинством охлаждающих элементов Пельтье являются малые габариты, отсутствие движущихся деталей, возможность каскадного соединения для получения больших перепадов температур.

Кроме этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, охлаждение сменяется нагреванием, поэтому на нем легко реализуются системы точного поддержания температуры – термостаты. Недостатком элементов (модулей) Пельтье является низкий КПД, что требует подведения больших значений тока для получения заметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластины, противоположной охлаждаемой плоскости.

Но обо всем по-порядку. Для начала попытаемся рассмотреть физические процессы, ответственные за наблюдаемое явление. Не погружаясь в пучину математических выкладок, постараемся просто на «пальцах» понять природу этого интересного физического явления.

Поскольку речь идет о температурных явлениях, физики, для удобства математического описания, заменяют колебания атомной решетки материала неким газом, состоящим из как бы частиц - фононов.

Температура фононного газа зависит от температуры окружающей среды и свойств металла. Тогда любой металл - это смесь электронного и фононного газов, находящихся в термодинамическом равновесии.При контакте двух разных металлов в отсутствии внешнего поля более “горячий” электронный газ проникает в зону более “холодного”, создавая известную всем контактную разность потенциалов.

При прикладывании разности потенциалов к переходу, т.е. протекании тока через границу двух металлов, электроны забирают энергию у фононов одного металла и передают ее фононному газу другого. При смене полярности передача энергии, а значит, нагрев и охлаждение меняют знак.

В полупроводниках за перенос энергии отвечают электроны и “дырки”, но механизм переноса тепла и появления разности температур сохраняется. Разность температур увеличивается до тех пор, пока не истощатся высокоэнергетичные электроны. Наступает температурное равновесие. Такова современная картина описания эффекта Пельтье.

Из нее понятно, что эффективность работы элемента Пельтье зависит от подбора пары материалов, силы тока и скорости отвода тепла от горячей зоны. Для современных материалов (как правило, это полупроводники) КПД составляет 5-8%.

А теперь о практическом применении эффекта Пельтье. Для его увеличения отдельные термопары (спаи двух различных материалов) собираются в группы, состоящие из десятков и сотен элементов. Основное назначение таких модулей – это охлаждение небольших объектов или микросхем.

Термоэлектрический охлаждающий модуль

Широкое применение модули на эффекте Пельтье нашли в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сегодня применяют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубокого охлаждения для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные детекторы в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, кварцевые генераторы в системах точного времени. Но это все применения военного и специального назначения.

С недавних пор модули Пельтье нашли применение и в бытовых изделиях. Преимущественно, в автомобильной технике: кондиционеры, переносные холодильники, охладители воды.

Пример практического использования эффекта Пельтье

Наиболее интересным и перспективным применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные микропроцессоры процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем охлаждения устраняют шум при значительном отборе тепла.

Компактный USB-холодильник с использованием модулей Пельтье

И, наконец, закономерный вопрос: заменят ли модули Пельтье привычные системы охлаждения в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодняшний день это невыгодно с точки зрения эффективности (малый КПД) и цены. Стоимость мощных модулей еще достаточно высока.

Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность появления новых, более дешевых материалов с большим КПД и высоким значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сегодня появляются сообщения из исследовательских лабораторий об удивительных свойствах наноуглеродных материалов, которые радикально смогут изменить ситуацию с эффективными системами охлаждения.

Появились сообщения о высокой термоэлектрической эффективности кластратов – твердотельных растворов, похожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совершенно бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы заменят наши привычные домашние модели.

P.S. Одной из самых интересных особенностей термоэлектрической технологии является то, что она может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить обратный процесс, и, например, из тепла получить электрическую энергию.

Список литературы