Termoelektryczne urządzenia chłodnicze

Techniki Niskotemperaturowe w medycynie
Seminarium
Termoelektryczne urządzenia chłodnicze teoretyczne podstawy działania
Edyta Kamińska
IMM II st. Sem I
1
Spis treści
Termoelektryczność ................................................................................................................................ 3
Zjawisko Seebecka ............................................................................................................................... 3
Zjawisko Peltiera.................................................................................................................................. 4
Budowa i zasada działania ogniwa Peltiera ......................................................................................... 5
Zjawisko Thomsona ............................................................................................................................. 6
Bibliografia............................................................................................................................................... 6
2
Termoelektryczność
Zjawisko termoelektryczne jest efektem bezpośredniej transformacji napięcia elektrycznego, które
występuje między dwoma punktami układu ciał na różnicę temperatur między tymi punktami, lub
odwrotnie: różnicy temperatur na napięcie elektryczne. Zjawisko to wykorzystuje się między innymi
do: ogrzewania, chłodzenia, czy pomiaru temperatury.
Napięciem elektrycznym łatwo jest sterować i można je dokładnie rejestrować, więc 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 – powstanie siły termoelektrycznej w zamkniętym obwodzie składającym
się z dwóch różnych metali,
 zjawisko Peltiera –prąd elektryczny przepływa, przez miejsce złączenia dwóch różnych metali,
 zjawisko Thomsona – nagrzewanie lub oziębianie pod wpływem przepływu prądu
występujące w jednorodnym przewodniku, którego końce znajdują się w różnych
temperaturach.
Zjawisko Seebecka
W 1821 roku Thomas Seebeck (rys.1) odkrył zjawisko termoelektryczności, później
nazwane jego nazwiskiem.
Rysunek 1 Thomas
Seebeck
Efekt Seebecka jest to zjawisko polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej
w obwodzie, który zawiera dwa metale lub półprzewodniki gdy ich złącza znajdują się w różnych
temperaturach. Zjawisko to jest podstawą działania min. termopary.
Jeśli w obwodzie mamy dwa różne przewodniki w postaci drutów i spoiny, którą
będziemy utrzymywać w innej temperaturze niż wolne końce, to w obwodzie tym
powstanie siła elektromotoryczna, a po jego zamknięciu popłynie prąd (Rys.2).
W tym obwodzie powstaje napięcie elektryczne określone wzorem:
Gdzie: SA i SB to współczynniki Seebecka charakterystyczne dla wybranych
substancji.
Rysunek 2 Schemat
działania zjawiska
Seebecka
3
Zjawisko Peltiera
W obecnie używanych urządzeniach chłodniczych, które wykorzystują
zjawisko termoelektryczności podstawą działania jest efekt odwrotny do efektu
Seebecka - efekt Peltiera.
Rysunek 3 Jean
Charles Athanase
Peltier
Jean Charles Peltier francuski fizyk zaobserwował w 1834 roku, że po utworzeniu obwodu z
dwóch rodzajów drutów – miedzianego i bizmutowego - oraz po podłączeniu ich do źródła energii
elektrycznej, jedno ze złącz nagrzewa się, a drugie ochładza. Po umieszczeniu złącza, które ulegało
ochłodzeniu w izolowanym pojemniku otrzymał bardzo nisko wydajną lodówkę.
Dalsze eksperymenty potwierdziły pochłanianie lub wydzielanie energii cieplnej przez złącza
różnych półprzewodników lub metali, znajdujących się w obwodzie, w którym przepływa prąd
elektryczny. Na skutek jego działania, energia pochłaniana przez jedno złącze jest następnie
wydzielana przez drugie - wynikiem jest ochłodzenie jednego złącza i ogrzanie drugiego, co
doprowadza do powstania pomiędzy nimi różnicy temperatur.
Ilość przekazywanej energii zależy od materiałów wykonania złącza, natężenia
przepływającego prądu, oraz czasu jego przepływu - różnica temperatur wzrasta przy
większej różnicy zdolności termoelektrycznej (współczynnik Seebecka) materiałów
oraz ze zwiększeniem się natężenia prądu.
W określonej jednostce czasu, ilość pochłanianego i wydzielanego ciepła
można opisać następującym wzorem:
gdzie:
Rysunek 4 Schemat
zjawiska Peltiera
oznacza współczynnik Peltiera obwodu, I – natężenie.
Odkryta przez Peltiera właściwość ,wykorzystywana jest przez specjalnie
przygotowane półprzewodnikowe moduły termoelektryczne, tzw. ogniwa Peltiera.
Są one obecnie szeroko wykorzystywane w chłodnictwie przemysłowym oraz
laboratoryjnym, szczególnie przy elementach elektronicznych i urządzeniach pomiarowych
wysokiej czułości.
4
Budowa i zasada działania ogniwa Peltiera
Ogniwo Peltiera (rys.5) jest półprzewodnikowym elementem termoelektrycznym,
wykorzystującym zjawisko Peltiera do przekazywania ciepła. Złożone jest z dwóch równolegle
osadzonych płytek ceramicznych, pomiędzy płaszczyznami których znajdują się naprzemiennie
ułożone półprzewodniki typu "n" oraz "p". Półprzewodniki – wykonane z odpowiednio
domieszkowanego tellurku bizmutu, są pod względem elektrycznym połączone szeregowo - dzięki
blaszkom miedzianym.
Istotą ogniw Peltiera są zmiany temperatury , które zachodzą na złączach półprzewodników
(n-p lub p-n) na skutek działania prądu elektrycznego, co ma istotne znaczenie dla celów
chłodniczych.
Rysunek 5 Budowa ogniwa Peltiera
Półprzewodnik typu "p" wykazuje w swojej strukturze brak elektronów do całkowitego
"obsadzenia" górnego poziomu energetycznego, natomiast półprzewodnik typu "n" posiada ich na
ten poziom zbyt wiele. W momencie przepływu prądu, dochodzi do przemieszczenia się elektronów
pomiędzy poziomami energetycznymi - co w jednym przypadku wymaga dostarczenia energii
(wejście na wyższy poziom energetyczny), a w innym wywołuje jej wydzielanie (spadek na niższy
poziom) - w zależności od kierunku przepływu prądu. Zarówno pobierana, jak i oddawana energia jest
w tym przypadku energią cieplną.
5
Zjawisko Thomsona
Zjawisko Thomsona zostało odkryte w 1856 roku przez Williama Thomsona,
lorda Kelvin. Polega ono na wydzielaniu się lub pochłanianiu ciepła podczas
przepływu prądu elektrycznego (tzw. ciepła Thomsona) w jednorodnym
przewodniku, w którym istnieje różnica temperatury. Ilość
wydzielonego/pochłoniętego ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatury,
natężenia prądu i czasu jego przepływu, a także od rodzaju przewodnika.
Rysunek 6 William
Thomson
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 jest zdefiniowany jako:
gdzie:
– ilość ciepła wydzielająca się na długości
,
– gradient temperatury na długości próbki,
– wartość przepływającego prądu.
Bibliografia
1. Tauc J. „Zjawiska fotoelektryczne i termoelektryczne w półprzewodnikach”, wyd. PWN,
Poznań 1966;
2. http://www.wikipedia.pl;
3. http://www.peltier.pl;
6