Початок 19 століття. Золотий вік фізики та електротехніки. У 1834 році французький годинникар і натураліст Жан-Шарль Пельтьє помістив краплю води між електродами з вісмуту і сурми, а потім пропустив по ланцюгу електричний струм. На свій подив, він побачив, що крапля несподівано замерзла.
Про тепловій дії електричного струму на провідники було відомо, а от зворотний ефект був схожий магії. Можна зрозуміти почуття Пельтьє: це явище на стику двох різних областей фізики, термодинаміки, електрики викликає відчуття дива й сьогодні.
Проблема охолодження тоді не була такою гострою, як сьогодні. Тому до ефекту Пельтьє звернулися тільки через майже два століття, коли з'явилися електронні пристрої, для роботи яких потрібні мініатюрні системи охолодження. Перевагою охолоджуючих елементів Пельтьє є малі габарити, відсутність рухомих деталей, можливість каскадного з'єднання для отримання великих перепадів температур.
Крім цього, ефект Пельтьє звернемо: при зміні полярності струму через модуль, охолодження змінюється нагріванням, тому на ньому легко реалізуються системи точного підтримання температури – термостати. Недоліком елементів (модулів) Пельтьє є низький ККД, що вимагає підведення великих значень струму для отримання помітного перепаду температур. Складність представляє і відведення тепла від пластини, протилежної охолоджуваної площині.
Але про все по-порядку. Для початку спробуємо розглянути фізичні процеси, відповідальні за спостережуване явище. Не занурюючись у безодню математичних викладок, постараємося просто на «пальцях» зрозуміти природу цього цікавого фізичного явища.
Оскільки мова йде про температурні явища, фізики, для зручності математичного опису, замінюють коливання атомної решітки матеріалу якимсь газом, складається з як би частинок ― фононів.
Температура фононного газу залежить від температури навколишнього середовища і властивостей металу. Тоді будь-метал ― це суміш електронного і фононного газів, що знаходяться в термодинамічній рівновазі.При контакті двох різних металів у відсутності зовнішнього поля більш "гарячий" електронний газ проникає в зону більш "холодного", створюючи відому всім контактну різницю потенціалів.
При прикладанні різниці потенціалів до переходу, тобто протіканні струму через кордон двох металів, електрони забирають енергію фононів у одного металу і передають її фононному газу іншого. При зміні полярності передача енергії, а значить, нагрівання та охолодження змінюють знак.
В напівпровідниках за перенесення енергії відповідають електрони та дірки", але механізм переносу тепла і появи різниці температур зберігається. Різниця температур збільшується до тих пір, поки не виснажаться высокоэнергетичные електрони. Настає температурне рівновагу. Така сучасна картина опису ефекту Пельтьє.
З неї зрозуміло, що ефективність роботи елемента Пельтьє залежить від підбору пари матеріалів, сили струму і швидкості відводу тепла від гарячої зони. Для сучасних матеріалів (як правило, це напівпровідники) ККД становить 5-8%.
А тепер про практичне застосування ефекту Пельтьє. Для його збільшення окремі термопари (спаї двох різних матеріалів) збираються в групи, що складаються з десятків і сотень елементів. Основне призначення таких модулів – це охолодження невеликих об'єктів або мікросхем.
Термоелектричний охолоджуючий модуль
Широке застосування модулі на ефекті Пельтьє знайшли в приладах нічного бачення з матрицею інфрачервоних приймачів. Мікросхеми з зарядовим зв'язком (ПЗЗ), які сьогодні застосовують і в цифрових фотоапаратах, вимагають глибокого охолодження для реєстрації зображення в інфрачервоній області. Модулі Пельтье охолоджують інфрачервоні детектори в телескопах, активні елементи лазерів для стабілізації частоти випромінювання, кварцові генератори в системах точного часу. Але це все застосування військового та спеціального призначення.
З недавніх пір модулі Пельтье знайшли застосування і в побутових виробах. Переважно, в автомобільній техніці: кондиціонери, переносні холодильники, охолоджувачі води.
Приклад практичного використання ефекту Пельтьє
Найбільш цікавим і перспективним застосуванням модулів є комп'ютерна техніка. Високопродуктивні мікропроцесори процесори і чіпи відеокарт виділяють велику кількість тепла. Для їх охолодження застосовують високошвидкісні вентилятори, які створюють значні акустичні шуми. Застосування модулів Пельтьє в складі комбінованих систем охолодження усувають шум при значному відборі тепла.
Компактний USB-холодильник з використанням модулів Пельтьє
І, нарешті, закономірне питання: чи замінять модулі Пельтье звичні системи охолодження в компресійних побутових холодильниках? На сьогоднішній день це невигідно з точки зору ефективності (малий ККД) та ціни. Вартість потужних модулів ще досить висока.
Але техніка та матеріалознавство не стоять на місці. Виключити можливість появи нових, більш дешевих матеріалів з великим ККД і високим значенням коефіцієнта Пельтьє не можна. Уже сьогодні з'являються повідомлення з дослідницьких лабораторій про дивовижні властивості нановуглецевих матеріалів, які зможуть радикально змінити ситуацію з ефективними системами охолодження.
З'явилися повідомлення про високу термоелектричної ефективності кластратов – твердотільних розчинів, схожих за будовою на гідрати. Коли ці матеріали вийдуть з дослідницьких лабораторій, то абсолютно безшумні холодильники з необмеженим терміном служби замінять наші звичні домашні моделі.
P. S. Одної з найбільш цікавих особливостей термоелектричної технології є те, що вона може не тільки використовувати електричну енергію для отримання тепла і холоду, але також завдяки їй можале запустити зворотній процес, і, наприклад, з тепла отримати електричну енергію. .
