Открытие эффекта Пельтье
Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье (1785-1845 г.) в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками. В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое - остывает.
Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснён в 1838г Ленцем (1804-1865 г.).
В своём опыте Ленц эксперементировал 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 установленно, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом - поголщается. Данное явление было названо эффектом Пельтье (противоположным эффекту Зеебека).
В отличии 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 он начинает охлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.
Уже в 20 веке было выясенно, 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 вследствии взаимодействия заряов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации, энергия либо поглощается, либо выделяется. В связи с этим полголощается или выделяется тепло. Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы - модули Пельтье сравнительно большой мощности.
Применение эффекта Пельтье
При рассмотрении классической технологии производства термоэлектрических модулей, было отмечено, что к материалу теплопровода предъявляются специальные 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. Керамика является хрупким материалом, и для достижения необходимой прочности возникает необходимость большой толщины слоя керамики, что в свою очередь резко снижает термическую проводимость теплопровода. В тоже время применение керамики обуславливает дополнительные сложности при монтаже модулей.
Технология CERATOM® предполагает использование принципиально иного теплопровода. В модулях TERMIONA теплопровод изготавливается из алюминия. Таким образом, можно избежать всех недостатков применения керамических теплопроводов. Алюминиевый теплопровод обладает значительно лучшей теплопроводностью и прочностью, нежели керамический. Для изоляции ветвей используется композитная керамика, которая выращивается непосредственно на поверхности алюминиевого теплопровода.