Termoelektryczne Urządzenia Chłodnicze – Teoretyczne Podstawy

Termoelektryczne Urządzenia Chłodnicze –
Teoretyczne Podstawy Działania
Inż.F.Welter
Imm gr 2
Spis treści
Zjawisko Termoelektryczne.......................................................................................................... 2
Zjawisko Seebecka ....................................................................................................................... 3
Efekt Peltiera ............................................................................................................................... 4
Zjawisko Thomsona ...................................................................................................................... 7
1
Zjawisko termoelektryczne – efekt bezpośredniej transformacji napięcia
elektrycznego występującego między dwoma punktami układu ciał na
różnicę temperatur między tymi punktami, lub odwrotnie: różnicy temperatur na
napięcie elektryczne. Zjawisko to jest wykorzystywane do



ogrzewania,
chłodzenia,
pomiaru temperatury.
Ponieważ napięciem elektrycznym łatwo jest sterować i można je dokładnie
rejestrować, urządzenia wykorzystujące zjawisko termoelektryczne pozwalają
na bardzo precyzyjną kontrolę temperatury i na automatyzację procesów
chłodzenia i ogrzewania.
W zależności od kierunku transformacji zjawiska termoelektryczne dzieli się na:



zjawisko Seebecka ,
zjawisko Peltiera ,
zjawisko Thomsona
2
Zjawisko
Seebecka – zjawisko
termoelektryczne polegające
na
powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale
lub półprzewodniki gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach[1][2].
Odkryte
w 1821 roku
przez
fizyka
niemieckiego
(pochodzenia
estońskiego) Th.J. Seebecka. Zjawisko to jest wykorzystywane m.in.
w termoparze.
W przedstawionym obwodzie A i B są
różnymi metalami lub półprzewodnikami, T1 i T2 to
temperatury w miejscach styku metali. W tym
obwodzie powstaje napięcie elektryczne określone
wzorem:
Gdzie:
SA
i
SB to współczynniki
Seebecka charakterystyczne dla wybranych substancji.
Powstające napięcie jest rzędu od kilku do
kilkudziesięciu mikrowoltów na kelwin (stopień
Celsjusza).
Natura zjawiska :
Jeśli próbkę nagrzać nierównomiernie, to – na skutek różnicy energii i
koncentracji nośników ładunku – zacznie się ich ukierunkowany ruch. Jeżeli
końce próbki znajdują się w temperaturze T1<T2, to na końcu próbki o
temperaturze T2 będzie występowała większa koncentracja nośników ładunku,
będą one również miały większą energię. W efekcie wystąpi ich dyfuzjaw
kierunku zimniejszego końca (T1). Przepływ prądu dyfuzji prowadzi do
pojawienia się rozkładu potencjału oraz wystąpieniaprądu unoszenia. W
warunkach równowagi obie składowe prądu są sobie równe i na zewnątrz
obserwuje się tylko różnicę potencjałów między punktami o różnej
temperaturze.
Jeżeli nośnikami ładunku są elektrony (półprzewodnik typu "n"), to zimniejszy
koniec próbki będzie miał w stosunku do cieplejszego potencjał ujemny. Dla
półprzewodnika typu "p" – dodatni.
3
Efekt Peltiera – jedno ze zjawisk termoelektrycznych w ciałach stałych, polega
na wydzielaniu lub pochłanianiu energii, pod
wpływem
przepływu prądu
elektrycznego przez
złącze. W wyniku pochłaniania energii na jednym
złączu i wydzielania energii na drugim, pomiędzy
złączami powstaje różnica temperatur. Jest odwrotne
do efektu Seebecka. Zjawisko po raz pierwszy zostało
zaobserwowane w 1834 roku przez Jeana Peltiera.
Efekt Peltiera zachodzi na granicy dwóch
różnych przewodników lub półprzewodników (n i p)
połączonych dwoma złączami (tzw. złącza Peltiera).
Podczas przepływu prądu jedno ze złącz ulega
ogrzaniu, a drugie ochłodzeniu. Ochłodzeniu ulega
złącze, w którym elektrony przechodzą z przewodnika o niższym poziomie
Fermiego do przewodnika o wyższym. Po zmianie kierunku przepływ prądu na
przeciwny, zjawisko ulega odwróceniu (ze względu na symetrię złącz).
Ciepło pochłaniane przez "zimne" złącze i wydzielane w złączu "gorącym" jest
opisywane równaniem:
gdzie:
AB
- współczynnik Peltiera układu
Natura zjawiska Peltiera :
Gdy do złącza przyłożone zostanie pole elektryczne (w zaznaczonym kierunku),
to elektrony będą przechodziły z pasma przewodnictwa półprzewodnika do
metalu, przy czym będą zmuszone w sąsiedztwie styku oddać
zgromadzoną energię potencjalną o wartości ΔW (ΔW=Q= AB e). Energia ta to
ciepło Peltiera, pochłaniane / wydzielające się w sąsiedztwie złącza podczas
transportu przez nie ładunku równego jednemu elektronowi.
4
Jeżeli pole elektryczne E skierowane jest
przeciwnie,
to
z
metalu
do
półprzewodnika mogą przejść jedynie
elektrony
o
odpowiednio
wysokiej energii kinetycznej (tzw. gorące
elektrony).
Zubożenie
obszaru
przyległego
do
złącza
w
wysokoenergetyczne elektrony prowadzi
do obniżenia średniej energii elektronów
w paśmie, a w konsekwencji do
obniżenia temperatury sieci krystalicznej,
od której tę energię pobierają, dochodząc
do równowagi termodynamicznej(okolica
złącza ochładza się). Energia, wydzielana
wynosi:
ΔW=WC-WF+ΔWK
Energię kinetyczną elektronów można określić ze wzoru:
ΔWK=(r+2)kT
gdzie:



r=0-2 (w zależności od mechanizmu rozpraszania nośników ładunku),
k – stała Boltzmanna,
T – temperatura.
Przy określaniu wartości współczynnika Peltiera nie uwzględnia się roli
metalu elektrody, ponieważ efekt Peltiera jest w przypadku
półprzewodników wyższy o rząd wielkości niż w przypadku metali.
5
Ogniwo Peltiera wykorzystywane jest w urządzeniach chłodniczych. Istotną
cechą jest możliwość regulacji temperatury przekazywanej, w zależności od
przyłożonego do układu natężenia prądu elektrycznego, co pozwala na
precyzyjne określenie temperatury chłodzenia.
Przykładami wykorzystania modułów Peltiera są:











przechowywanie i transport tkanek oraz preparatów biologicznych
komory klimatyczne
termocyklery
chłodzenie nagrzewających się elementów elektronicznych, w tym
m.in. procesorów i kart graficznych komputerów
chłodzenie generatorów wysokiej mocy
chłodzenie diod laserowych
urządzenia wzorcowe temperatury o wysokiej dokładności (mierniki)
termostaty do akwarium i terrarium
przenośne lodówki
komory do przechowywania win
inne procesy i urządzenia wymagające precyzyjnej regulacji temperatury
Wydajność chłodzenia za pomocą ogniw Peltiera może być zwiększona poprzez
połączenie dwóch ogniw - po połączeniu strony "gorącej" jednego modułu ze
stroną "zimną" modułu kolejnego. W zależności od ilości połączonych w ten
sposób elementów, można uzyskiwać coraz niższe temperatury, co ograniczone
jest maksymalną wydajnością całego układu. Ze względu na wydzielanie ciepła
Joule'a przez każde z ogniw, poziom następny musi odprowadzić ciepło
przekazywane oraz wytworzone przez poprzednie poziomy - co decyduje o
konieczności łączenia ogniw w strukturze piramidalnej oraz zastosowania
dodatkowego chłodzenia
6
Zjawisko Thomsona należy do zjawisk termoelektrycznych. Zostało odkryte
w 1856 roku przez Williama Thomsona, lorda Kelvin. Polega na wydzielaniu się
lub pochłanianiuciepła podczas przepływu prądu elektrycznego (tzw. ciepła
Thomsona) w jednorodnym przewodniku, w którym istnieje gradient
temperatury. Ilość wydzielonego/pochłoniętego ciepła jest proporcjonalna do
różnicy temperatury, natężenia prądu i czasu jego przepływu, a także od rodzaju
przewodnika.
Zjawisko Thomsona dotyczy jedynie wydzielania i pochłaniania ciepła – nie
powoduje wydzielania się sił termoelektrycznych. Jest to zjawisko dotyczące
jedynie efektów cieplnych przepływu prądu elektrycznego (niezależnych od
ciepła Joule'a-Lentza i o innej naturze).
Współczynnik Thomsona
T
jest zdefiniowany jako:
gdzie:
– ilość ciepła wydzielająca się na długości
,
– gradient temperatury na długości próbki,
– wartość przepływającego prądu
Natura zjawiska Thomsona :
Różnica temperatury w materiale prowadzi do wystąpienia gradientu
koncentracji nośników i odpowiadającego mu prądu dyfuzji. Ten ostatni
prowadzi do powstania rozkładu ładunku przestrzennego. Jeżeli pole od ładunku
w objętości jest skierowane przeciwnie niż pole zewnętrzne, to ostatnie
wykonuje pracę przeciwko polu wewnętrznemu, co prowadzi do wydzielania
dodatkowego ciepła. Jeżeli kierunki obu pól są zgodne, to pole wewnętrzne
wspomaga dryft nośników kosztem cieplnej energii sieci, co prowadzi do jej
ochłodzenia. Inaczej mówiąc przyczyną zjawiska Thompsona jest różny stopień
zagęszczenia elektronów swobodnych wzdłuż przewodnika, na którego długości
występuje gradient temperatury. Zjawisko to wraz ze zjawiskiem
Peltiera wykorzystuje się w metrologii wielkości nieelektrycznych do pomiaru
temperatury (pomiar siły termoelektryczej w funkcji temperatury).
7