Открытие эффекта Пельтье
Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье (1785-1845 г.) в 1834 году, когда при проведении одного из экспериментов он пропустил электрический ток через полоску висмута с подключенными к ней медными проводниками. В ходе эксперимента было обнаружено, что одно соединение висмут-медь нагревается, в то время как другое остывает.
Сам ученый в полной мере не понимал сущность открытого им явления - истинный смысл явления был объяснён позже (в 1838 г.) другим ученым – знаменитым русским физиком Эмилием Христиановичем 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.
В отличие от тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q = R·I·I·t), тепло Пельтье пропорционально силе тока в первой степени и может быть выражено формулой:
Qп = 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 = a · T
где a - коэффициент Томпсона, T - абсолютная температура.
Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой они ускоряются или замедляются внутренней контакной 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 начинается процесс охлаждения. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.
Уже в 20 веке было выяснено, что эффект Пельтье значительно сильнее проявляется при соединении полупроводников разных типов. В зависимости от направления протекания электрического тока через p-n- и n-p- переходы вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и отверстиями (p), а также их рекомбинации, энергия либо поглощается, либо выделяется, в связи с чем поглощается или выделяется тепло. Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы – термоэлектрические модули Пельтье сравнительно большой мощности.
Применение эффекта Пельтье
При рассмотрении классической технологии производства термоэлектрических модулей было отмечено, что к материалу теплопровода предъявляются специальные и подчас разносторонние требования, которые сложно совместить. Так, теплопровод должен обладать хорошей термической проницаемостью, служить изолятором и удовлетворять требованиям механической прочности. На сегодняшний день для изготовления теплопроводов большинством компаний-производителей используется керамика.
Несмотря на широкое применение, керамика обладает рядом недостатков, являясь, в первую очередь, хрупким материалом, поэтому для достижения необходимой прочности возникает необходимость формирования слоя керамики большой толщины, что, в свою очередь, резко снижает термическую проводимость теплопровода. В то же время применение керамики обуславливает дополнительные сложности при монтаже термоэлектрических модулей, такие как использование специальных инструментов и притирочных паст.
Технология CERATOM® предполагает использование принципиально иного теплопровода. В термоэлектрических системах TERMIONA теплопровод изготавливается из алюминия. Таким образом можно избежать большинства недостатков применения керамических теплопроводов, поскольку алюминиевый теплопровод обладает значительно лучшей теплопроводностью и прочностью, нежели керамический.
