Что такое элемент Пельтье

В 1834 году французский физик Жан Шарль Пельтье в ходе своих исследований электричества открыл явление термоэлектрического эффекта. Сфера его использования ограничивалась несколькими небольшими приложениями вплоть до настоящего времени, когда подобный принцип начинает использоваться все чаще.

Пельтье и схема его экспериментальной установки
Пельтье и схема его экспериментальной установки

Суть эффекта Пельтье

В ходе своих исследований Пельтье заметил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из различных материалов, но при одинаковой температуре спаев, возникает эффект, обратный эффекту Зеебека (термоэлектрическому эффекту). При этом тепло поглощается на одном переходе и выделяется на другом. Охлаждающаяся часть обычно имеет температуру около 10 градусов, в то время как поглощающий тепло участок может быстро нагреться до 80 градусов.

Еще более интересным является тот факт, что при изменении полярности источника питания порядок действия меняется на противоположный, то есть, поверхность раньше охлаждавшаяся начинает нагреваться, а поверхность, раньше вырабатывавшая тепло, начинает вырабатывать холод.

Структурная схема элемента
Структурная схема элемента

Выработанное тепло Qп (положительное или отрицательное, т. е., холод), согласно экспериментальным данным, пропорционально току через цепь I, времени пропускания тока t и характеризующего контактирующие материалы и их температуру коэффициента Пельтье. Чтобы вычислить это тепло, можно воспользоваться формулой:

Определение выработанного тепла
Определение выработанного тепла

Что такое элемент Пельтье

Термоэлектрические элементы, принцип работы которых основывается на эффекте Пельтье, состоят из двух полупроводниковых материалов с проводимостью n-типа и p-типа. Вместе их соединяет медная пластина. Если подключить положительную полярность источника питания к материалу с n-проводимостью а отрицательную — к материалу с p-проводимостью, то верхняя часть медной пластины начнет охлаждаться, а нижняя нагреваться.

Если полярность питания, поступающего на элемент или ячейку Пельтье, поменять на обратную, то есть, отрицательную полярность подать на материал n-проводимости, а положительную на материал p-проводимости, функции нагрева/охлаждения меняются местами: верхняя часть нагревается, а нижняя охлаждается.

Элементы Пельтье объединяются в модули с целью увеличения мощности нагрева или охлаждения устройства. Их КПД обычно составляет 30–50%.

Модуль Пельтье
Модуль Пельтье

Характеристики элементов Пельтье

На современном рынке представлено много разновидностей элементов Пельтье, но все они имеют такие характеристики, как:

  • холодопроизводительность;
  • максимальная разность температур между сторонами;
  • рабочий ток, обеспечивающий необходимую разность температур;
  • напряжение, при котором через устройство протекает рабочий ток;
  • омическое сопротивление устройства;
  • коэффициент эффективности или КПД (отношение мощности, необходимой для охлаждения к потребляемой электрической мощности).

Как и все в этой жизни, элементы Пельтье также имеют некоторые недостатки, которые необходимо учитывать. Одно из их негативных свойств — высокое потребление электричества. В зависимости от температуры и влажности окружающей среды на устройстве может образовываться конденсат, а при определенных условиях даже лед.

Где применяется

Практическое применение элемента Пельтье безгранично, поскольку существует множество приложений, работающих одновременно и на охлаждение, и на нагрев. Благодаря огромному прогрессу в области полупроводников, в настоящее время создаются устройства, в которых применяется эффект Пельтье, размером с монету.

Внешний вид одного из элементов
Внешний вид одного из элементов

Элемент-охладитель размером несколько миллиметров обеспечивает мощность охлаждения до 0.5 Вт. Другими словами, для достижения мощности охлаждения холодильника в 15–20 ватт требуются батареи, состоящие как минимум из 30 или 40 элементов. Фактически, подключение большого количества элементов увеличивает излучающую поверхность и, следовательно, мощность охлаждения. Таким образом, и размер, и получаемая мощность нагрева зависят от количества подключенных элементов, используемых в модуле.

Элементы или модули Пельтье используются чаще для охлаждения, чем для нагревания. Для нагрева больше подходят электрические резисторы, которые гораздо эффективнее справляются с этой задачей, чем элементы Пельтье. Последние лучше применять для выработки холода, поскольку малый размер элементов делает их идеальной заменой дорогому и громоздкому охлаждающему оборудованию, требующему для работы специальные газы или жидкости.

Еще одно из применений — охлаждение процессора на материнских платах, т. е., использование в качестве кулера.

Термоэлектрический охладитель
Термоэлектрический охладитель

Проверка элементов Пельтье

Проще всего можно протестировать устройство, используя принцип его действия, то есть, пропустите через него электрический ток и рукой проверьте нагрев одной стороны и охлаждение другой.

Можно проверить работоспособность элемента, основываясь на обратном эффекте Зеебека. В этом случае следует подключить к элементу мультиметр. Его показания после подключения должны быть нулевыми. Если теперь провести горящей зажигалкой по одной из сторон устройства, то мультиметр должен показать наличие электрического тока.

Видео по теме

Adblock
detector