وحدة بلتيير: الخصائص التقنية. ثلاجات بلتيير لأشباه الموصلات تطبيق تأثير بلتيير

يتم نشر نص العمل بدون صور وصيغ.
النسخة الكاملةالعمل متاح في علامة التبويب "ملفات العمل" بتنسيق PDF

مقدمة

تأثير بلتيير هو ظاهرة كهروحرارية يتم فيها إطلاق الحرارة أو امتصاصها عندما يمر تيار كهربائي عند نقطة الاتصال (الوصلة) بين موصلين مختلفين.

تأثير Seebeck هو ظاهرة حدوث المجالات الكهرومغناطيسية في دائرة مغلقة. دائرة كهربائية، تتكون من موصلات متباينة متصلة بالسلسلة، وتكون نقاط الاتصال بينها عند درجات حرارة مختلفة.

تم اكتشاف كلا هذين التأثيرين في القرن التاسع عشر: في عام 1834، تم اكتشاف جوهر الظاهرة بواسطة ج. بلتييه بعد بضع سنوات - في عام 1838 على يد لينز، الذي أجرى تجربة وضع فيها قطرة ماء في فجوة في تقاطع قضيبين من البزموت والأنتيمون. اكتشف تي آي سيبيك التأثير الذي يحمل نفس الاسم في عام 1821. وفي عام 1822، نشر نتائج تجاربه في مقال "حول مسألة الاستقطاب المغناطيسي لبعض المعادن والخامات الناشئة في ظل ظروف اختلافات درجات الحرارة"، المنشور في التقارير. من الأكاديمية البروسية للعلوم

لقد كنت مهتمًا بهذا الموضوع لأن العناصر التي تم اختراعها في القرن التاسع عشر لا تزال تستخدم بشكل فعال في الأجهزة الحديثة. على الرغم من أنه في كل حالة محددة يتم اختيار عنصر ذي المعلمات الضرورية، إلا أن النظرية والمصادر تشير إلى أن العناصر قابلة للتبديل. وسواء كان هذا صحيحًا أم لا، فإننا نخطط للتحقق من دراستنا.

صياغة المشكلة:

يتم استخدام كلا التأثيرين (تأثير بلتيير وتأثير سيبيك) على نطاق واسع في التكنولوجيا الحديثة، ويمكن فهم مبدأ تشغيل العناصر التي تم إنشاؤها على أساسها كجزء من دورة الفيزياء المدرسية. وفي الوقت نفسه، لم يتم ذكر هذه التأثيرات في مقرر الفيزياء المدرسية. هذا العمل، بالإضافة إلى أهميته التطبيقية، له أيضًا جانب منهجي مهم يرتبط بإدراج وصف للإنجازات العلمية المختلفة في الدورة المدرسية.

فرضية البحث:هناك اختلافات عند استخدام تأثيرات بلتيير وسيبيك المباشرة والعكسية.

الغرض من الدراسة:التعرف على السمات المميزة لتأثير بلتيير وتأثير سيبيك عند استخدامها في الاتجاهين الأمامي والخلفي.

أهداف البحث:

دراسة تاريخ اكتشاف تأثير بلتيير وتأثير سيبيك.

دراسة خصائص تأثير بلتيير المباشر والعكسي، وتأثير سيبك المباشر والعكسي.

إنشاء الإعداد لإجراء التجربة.

إجراء سلسلة من التجارب لاختبار الفرضية.

تحليل نتائج التجربة واستخلاص استنتاج ما إذا كانت الفرضية مؤكدة أم لا.

موضوع الدراسة:عنصر بلتيير وعنصر سيبيك.

موضوع الدراسة:مميزات التأثير المباشر والعكسي لتأثير بلتيير والتأثير المباشر والعكسي سيبيك.

طرق البحث

تم استخدام الأساليب التالية في الدراسة:

1. النظري:

تحليل مصادر المعلومات حول تاريخ اكتشاف تأثيرات بلتيير وسيبيك التي تم تناولها في العمل،

تحليل المعلومات حول مبدأ تشغيل عناصر بلتيير وسيبيك،

تحليل البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها.

الاستقراء غير الكامل: صياغة استنتاج بناءً على بيانات لا تغطي جميع الجوانب والمجموعات المحتملة لخصائص الكائنات قيد الدراسة.

2. التجريبية:

إجراء سلسلة من التجارب لاختبار الفرضية.

يتم تطبيق هذا البحث. ستقدم نتائج الدراسة إجابة حول فعالية قابلية التبادل بين عناصر بلتيير وسيبيك.

تحليل المصدر

عند وصف التأثيرات قيد الدراسة، تذكر جميع المصادر أن هناك “تأثير بلتيير وتأثيره العكسي، ما يسمى بتأثير سيبيك”، بينما لم يذكر تأثير سيبيك العكسي. في هذا العمل، بالإضافة إلى اكتشاف تأثيرات بلتيير المباشرة والمعكوسة ومقارنة تأثير بلتيير العكسي مع تأثير سيبيك المباشر، سنختبر وجود تأثير سيبيك المعكوس.

ومما يدل على أهمية الموضوع قيد الدراسة الاهتمام الذي توليه الكتب المدرسية الأجنبية لدراسة هذه التأثيرات. فهي لا تقدم وصفًا للتأثيرات قيد النظر فحسب، بل تقدم أيضًا شرحًا لها، وتتحدث أيضًا عن تطبيقها.

يقدم الموقع الإلكتروني للشركة الروسية المصنعة للمعدات التعليمية، 3B Scientific LLC، تركيبًا مختبريًا "Seebeck Effect" بقيمة 229873.00 روبل روسي. ، الذي يرتبط به التطوير المنهجي. وبعد دراستها توصلنا إلى استنتاج مفاده أنه يمكن إجراء مثل هذه التجربة على معدات لا تتطلب مثل هذه التكاليف الباهظة.

الجزء الرئيسي تأثير Pelte

تأثير بلتيير هو ظاهرة كهروحرارية لنقل الطاقة أثناء مرور التيار الكهربائي عند نقطة الاتصال (الوصلة) بين موصلين مختلفين، من موصل إلى آخر. وهو أيضًا التأثير العكسي لتأثير Seebeck، ولكنه يمكنه أيضًا أداء وظائفه.

عندما يتم تسخين جانب واحد ويتم تبريد الجانب الآخر، يمكن لهذا العنصر إنتاج الكهرباء. وأيضاً هذا العنصر له تأثير معاكس، أي أنه عندما يتم توصيل هذا العنصر بالكهرباء فإن أحد الجانبين سوف يبرد والآخر سوف يسخن.

سبب ظاهرة بلتيير هو كما يلي. عند تماس مادتين، يوجد فرق في جهد الاتصال، مما يخلق مجال اتصال داخلي. إذا كان هناك تيار كهربائي يتدفق عبر جهة اتصال، فإن هذا المجال إما أن يسهل مرور التيار أو يعيقه. إذا كان التدفق الحالي ضد مجال الاتصال، فيجب أن ينفق المصدر الخارجي طاقة اضافيةالذي ينطلق في جهة الاتصال مما يؤدي إلى تسخينه. إذا كان التيار يتدفق في اتجاه مجال الاتصال فيمكن دعمه بهذا المجال الذي يقوم بعمل تحريك الشحنات. وتؤخذ الطاقة اللازمة لذلك من المادة مما يؤدي إلى تبريدها عند نقطة التلامس.

تأثير سيبيك

تأثير Seebeck هو ظاهرة حدوث المجالات الكهرومغناطيسية في دائرة كهربائية مغلقة تتكون من موصلات متباينة متصلة بالتسلسل، وتكون نقاط الاتصال بينها عند درجات حرارة مختلفة.

إذا كان هناك تدرج في درجة الحرارة على طول الموصل، فإن الإلكترونات الموجودة في الطرف الساخن تكتسب طاقات وسرعات أعلى من تلك الموجودة في الطرف البارد؛ وفي أشباه الموصلات، بالإضافة إلى ذلك، يزداد تركيز إلكترونات التوصيل مع ارتفاع درجة الحرارة. والنتيجة هي تدفق الإلكترونات من الطرف الساخن إلى الطرف البارد. تتراكم الشحنة السالبة عند الطرف البارد، وتبقى شحنة موجبة غير معوضة عند الطرف الساخن. تستمر عملية تراكم الشحنة حتى يؤدي فرق الجهد الناتج إلى تدفق الإلكترونات في الاتجاه المعاكس، أي ما يعادل الاتجاه الأساسي، والذي يتم من خلاله تحقيق التوازن.

يُطلق على القوة الدافعة الكهربية، التي يتم وصف حدوثها بهذه الآلية، اسم القوة الدافعة الكهربية الحجمية.

ميزات عناصر بلتيير وسيبيك

الميزة الرئيسية لهذه العناصر هي أن عنصر بلتيير له تأثير معاكس، ولكن عنصر سيبيك لا يفعل ذلك. وذلك بالرغم من أن التأثير المعاكس لعنصر البلتيير هو تأثير عنصر السيبيك.

ونتيجة لذلك، أصبح تأثير سيبيك يستخدم على نطاق واسع في مختلف المجالات.

عنصر بلتيير هو العكس تمامًا للأجهزة التي تعتمد على تأثير Seebeck. في هذه الحالة، على العكس من ذلك، تحت تأثير التيار الكهربائي، يتم تشكيل اختلاف في درجة الحرارة في مواقع العمل للهيكل. وهكذا، بمساعدة التيار الكهربائي، يتم نقل الحرارة من مزدوجة حرارية إلى أخرى. عندما يتغير اتجاه التيار، فإن الجانب الساخن سوف يأخذ الحالة المعاكسة.

يحدث هذا التأثير في موصلين مختلفين لهما نفس الموصلية. في كل منها، تتمتع الإلكترونات بقيمة طاقة مختلفة وتقع على مسافة قريبة جدًا من بعضها البعض. ونتيجة لذلك، سيتم نقل الشحنات من وسيلة إلى أخرى، وسوف تتخلى الإلكترونات ذات الطاقة الأعلى على خلفية المستويات المنخفضة عن الفائض إلى الشبكة البلورية، مما يسبب التسخين. إذا كان هناك نقص في الطاقة، على العكس من ذلك، يتم نقلها من الشبكة البلورية، مما يؤدي إلى تبريد الوصلة.

تطبيق تأثير بلتيير وتأثير سيبيك

تُستخدم التأثيرات التي تتم دراستها لإنشاء أجهزة استشعار حرارية، ومولدات كهروحرارية، وتستخدم أيضًا في أجهزة الكمبيوتر لتحسين تبريد المعالج.

حاليًا، يتم تطبيق تأثير Seebeck في أجهزة الاستشعار المتكاملة، حيث يتم ترسيب أزواج المواد المقابلة على سطح ركائز أشباه الموصلات. مثال على هذه المستشعرات هو المزدوج الحراري للكشف عن الإشعاع الحراري. نظرًا لأن السيليكون يحتوي على معامل Seebeck كبير إلى حد ما، فإنه يتم تصنيع أجهزة كشف حرارية حساسة للغاية على أساسه.

أحد القيود المهمة التي تنشأ عند استخدام المحول الكهروحراري هو معامل الكفاءة المنخفض - 3-8٪. ولكن إذا لم يكن من الممكن تركيب خطوط الكهرباء القياسية، ومن المتوقع أن يكون الحمل على الشبكة صغيرا، فإن استخدام المولدات الكهروحرارية له ما يبرره تماما. في الواقع، يمكن استخدام الأجهزة التي تعمل على تأثير Seebeck في مجموعة واسعة من المجالات:

1. إمدادات الطاقة لتكنولوجيا الفضاء؛

2. إمدادات الطاقة لمعدات الغاز والنفط.

3. المولدات المنزلية.

4. أنظمة الملاحة البحرية.

5. أنظمة التدفئة.

6. تشغيل حرارة النفايات في المركبات.

7. محولات الطاقة الشمسية.

8. محولات الحرارة الناتجة عن المصادر الطبيعية (مثل المياه الحرارية الأرضية).

يتم استخدام تأثير بلتيير في حالتين: عندما يكون من الضروري إما توفير الحرارة إلى تقاطع المواد، أو إزالتها، ويتم ذلك عن طريق تغيير اتجاه التيار. وقد وجدت هذه الخاصية تطبيقها في الأجهزة التي تتطلب التحكم الدقيق في درجة الحرارة. يتم استخدام عناصر بلتيير في الحالات التي يكون فيها التبريد مع اختلاف بسيط في درجة الحرارة ضروريًا، أو عندما تكون كفاءة استخدام الطاقة في المبرد غير مهمة. على سبيل المثال، يتم استخدام عناصر بلتيير في ثلاجات السيارات الصغيرة، حيث أن استخدام الضاغط في هذه الحالة مستحيل بسبب الأبعاد المحدودة، بالإضافة إلى أن قوة التبريد المطلوبة صغيرة.

بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم عناصر بلتيير لتبريد الأجهزة المقترنة بالشحن في الكاميرات الرقمية. ونتيجة لذلك، يتم تحقيق انخفاض ملحوظ في الضوضاء الحرارية أثناء التعريض الضوئي الطويل (على سبيل المثال في التصوير الفلكي). تُستخدم عناصر بلتيير متعددة المراحل لتبريد مستقبلات الإشعاع في أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء.

غالبًا ما تستخدم عناصر بلتيير أيضًا:

1. للتبريد والتحكم في درجة حرارة ليزر الصمام الثنائي لتحقيق الاستقرار في الطول الموجي للإشعاع؛

2. في تكنولوجيا الكمبيوتر.

3. في الأجهزة الكهربائية الراديوية.

4. في المعدات الطبية والصيدلانية.

5. في الأجهزة المنزلية.

6. في معدات التحكم في المناخ.

7. في منظمات الحرارة.

8. في المعدات البصرية.

9. للسيطرة على عملية التبلور.

10. لأغراض التسخين المسبق.

11. لتبريد المشروبات.

12. في الأجهزة المختبرية والعلمية.

13. في صانعات الثلج؛

14. في مكيفات الهواء؛

15. توليد الكهرباء.

16.خامس عدادات الكترونيةاستهلاك الماء.

بالطبع، أجهزة التبريد بلتيير بالكاد مناسبة للاستخدام الشامل. فهي مكلفة للغاية وتتطلب التشغيل السليم. اليوم هي بالأحرى أداة لرفع تردد التشغيل للمعالج. ومع ذلك، إذا كان من الضروري تبريد المعالجات بقوة، فإن مبردات بلتيير هي الأجهزة الأكثر فعالية.

كانت هناك تقارير عن تجارب على دمج وحدات بلتيير المصغرة مباشرة في رقائق المعالج لتبريد هياكلها الأكثر أهمية. يعمل هذا الحل على تعزيز التبريد بشكل أفضل عن طريق تقليل المقاومة الحرارية ويمكن أن يزيد بشكل كبير من تردد التشغيل وأداء المعالجات.

العمل على تحسين الأنظمة لضمان الأداء الأمثل ظروف درجة الحرارةيتم تنفيذ العناصر الإلكترونية بواسطة العديد من مختبرات الأبحاث. وتعتبر أنظمة التبريد التي تستخدم وحدات بلتيير الحرارية واعدة للغاية.

وصف الإعداد التجريبي

لإجراء التجربة، تم إنشاء الإعداد للحصول على البيانات اللازمة.

لتقليل التبادل الحراري مع البيئة، من الضروري إنشاء منظم الحرارة. وفي التركيب التجريبي، تم تحقيق ذلك بمساعدة مواد العزل الحراري المستخدمة أثناء البناء، حيث تم إنشاء حمامين، مفصولين في حالة واحدة بعناصر بلتيير، وفي الحالة الأخرى بعنصر سيبيك. تم استخدام علب العصير المقاومة للماء كحمام. تم تحقيق العزل المائي للعناصر باستخدام مسدس الغراء.

لإجراء التجربة، تم اختيار عناصر بلتيير وسيبيك ذات الخصائص المماثلة: جهد التشغيل والطاقة.

تم استخدام أجهزة القياس المتعددة كأدوات قياس لتسجيل درجة الحرارة.

تم أخذ قيمة الجهد أيضًا باستخدام مقياس متعدد أو الفولتميتر.

طريقة تجريبية

اعتمادا على العنصر قيد الدراسة، تم صب الماء بدرجات حرارة مختلفة في أقسام مختلفة من الحمامات (تأثير سيبيك المباشر وتأثير بلتيير العكسي)، أو الماء من نفس درجة الحرارة للكشف عن تأثير بلتيير المباشر وتأثير سيبيك العكسي).

تم إدخال قراءات مستشعر درجة الحرارة في جدول (الملحق 1)، والذي تم على أساسه إنشاء الرسوم البيانية للجهد مقابل درجة الحرارة.

تم تنفيذ كل تجربة لمدة 7 - 10 دقائق.

نتائج التجربة

واستناداً إلى البيانات التي تم الحصول عليها خلال أربع تجارب، تم إنشاء الرسوم البيانية

أثناء التجربة، لوحظ تأثير Seebeck المباشر وتأثير بلتيير العكسي للعناصر المقابلة، حيث تكون قيم الجهد متماثلة تقريبًا. كما يتبين من الرسم البياني، فإن اعتماد الجهد على العنصر على الفرق في درجات حرارة السطح هو مماثل. والاختلاف في المعنى يرجع إلى اختلاف خصائص الأشياء.

مقارنة تأثير بلتيير المباشر وتأثير سيبيك العكسي

عكس تأثير Seebeck

كما يتبين من الرسم البياني، مع الأخذ في الاعتبار الأخطاء المرتبطة بالميزات التصميمية للجهاز (الموضحة في التعليمات)، يمكننا أن نفترض أن درجة الحرارة لم تتغير أثناء التجربة، مما يدل على أن تأثير سيبيك العكسي لم يكن كذلك مسجل.

ويمكن الحكم على ذلك من خلال الرسم البياني مع إضافة خط الاتجاه

تأثير بلتيير المباشر

أكدت التجربة وجود تأثير بلتيير المباشر: ارتفعت درجة الحرارة في جزء من الحمام، وانخفضت في الجزء الآخر.

ويتبع استنتاج مماثل من تحليل التغيرات في فرق درجة الحرارة بين جانبي عنصر بلتيير.

خاتمة:

لعنصر بلتيير تأثيرات مباشرة وعكسية. لا يمكن استخدام عنصر Seebeck إلا في الاتجاه الأمامي.

خاتمة

عند العمل في الدراسة، وبالاعتماد على المصادر المتاحة، تم دراسة تاريخ ومميزات تأثير بلتيير المباشر والعكسي، وتأثير سيبيك المباشر والعكسي.

لقد أتاح إنشاء التركيب الفعال إجراء التجارب المخطط لها بطريقة عالية الجودة لتأكيد الفرضية المطروحة.

وكشفت الدراسة عن السمات المميزة لتأثير بلتيير وتأثير سيبيك عند استخدامها في الاتجاهين الأمامي والخلفي.

تم تأكيد الافتراض حول عدم وجود تأثير Seebeck العكسي بالكامل. وبناءً على هذا البيان، يجب أن نتذكر أن عناصر مثل عناصر بلتيير وسيبيك تكون أكثر فعالية عند استخدامها للغرض المقصود منها، على الرغم من أنه من الممكن استخدام تأثير سيبيك المباشر وتأثير بلتيير العكسي. حتى لو كانت هناك أوجه تشابه هيكلية، من أجل الامتثال للتكنولوجيا، يجب على المرء العمل بتأثير محدد.

بعد دراسة مفصلة لتأثير بلتيير، يمكننا أن نستنتج: على الرغم من أن استخدام تأثير بلتيير يتطلب تدابير وأبحاث إضافية لدراسة الاستخدام الآمن والعقلاني لوحدات بلتيير كأجهزة تبريد، إلا أن هذه الظاهرة واعدة للغاية.

قائمة المراجع المستخدمة

1. لانداو إل دي، ليفشيتس إي إم الفيزياء النظرية: كتاب مدرسي. دليل: للجامعات. في 10. المجلد T. الثامن. الديناميكا الكهربائية للوسائط المستمرة. - الطبعة الرابعة، ستيريو.-م.: فيسماتليت، 2000. - 656 ص.

2. ناركيفيتش آي. الفيزياء: كتاب مدرسي/ I.I. ناركيفيتش، إي. فومليانسكي، إس. علنا. - من: المعرفة الجديدة، 2004. - 680 ص.

3. رويل ج.، هربرت س. فيزياء / ترجمة. من الانجليزية حررت بواسطة ف.ج. رازوموفسكي. - م: التربية، 1994. - 576 ص: مريض.

4. سيفوخين إس.دي. دورة الفيزياء العامة - م: ناوكا، 1977. - ت.3. الكهرباء.- ص490-494.

5.. الفيزياء: الموسوعة./تحت. إد. يو.في. بروخوروفا. - م: بولشايا الموسوعة الروسية، 2003. - 944 ص: مريض، 2 لتر. لون

6. الموسوعة الفيزيائية المجلد 5. الأجهزة الاصطرابية - السطوع / الفصل. إد. أكون. بروخوروف. إد. العقيد: د.م. بالدين، الموسوعة الروسية الكبرى، 1998. - 760 ص.

7. فلاديمير لانك، ميروسلاف فوندرا. فيزيكا ضد كوكي. - سيسكا ريبابليكا: جزء، 2000. - 120 ص. كتاب مدرسي للمدارس الثانوية، جمهورية سلوفاكيا.

8. تسوكوس ك.أ. الفيزياء لدبلوم البكالوريا الدولية. الطبعه الخامسة. - المملكة المتحدة: مطبعة جامعة كامبريدج، 2004. - 850 ص. الكتاب المدرسي لبرنامج البكالوريا الدولية

9. الموقع الإلكتروني لشركة 3bscientific. [المورد الإلكتروني]// https://www.3bscientific.ru/laboratory-installation-seebeck-effect-8000731-ue6020500-230,p_1440_28886.html (تاريخ الوصول: 18 فبراير 2018)

الملحق 1. النتائج التجريبية

التجربة 1. تأثير Seebeck المباشر

الوقت ر، ق	فرق درجة الحرارة Δ t، o C	الجهد U، V

التجربة 2. تأثير بلتيير العكسي

الوقت ر، ق	درجة حرارة ماء باردر س ، س ج	درجة حرارة الماء الساخن t g، o C	فرق درجة الحرارة Δ t، o C	الجهد U، V

التجربة 3: عكس تأثير Seebeck

الوقت ر، ق	درجة حرارة الماء البارد tx، o C	درجة حرارة الماء الساخن t g، o C	فرق درجة الحرارة Δ t، o C	الجهد االكهربى

التجربة 4. تأثير بلتيير المباشر

الوقت ر، ق	درجة حرارة الماء البارد tx، o C	درجة حرارة الماء الساخن t g، o C	فرق درجة الحرارة Δ t، o C	الجهد U، V

الملحق 2. صورة التثبيت

تأثير بلتيير هو أنه عندما يتم تمرير تيار عبر دائرة، في نقاط اتصال للموصلات المتباينة، بالإضافة إلى حرارة جول، يتم إطلاق حرارة بلتيير أو امتصاصها. كمية حرارة بلتيير س صيتناسب مع تهمة هو - هي، مرت من خلال الاتصال

أين ص– معامل بلتيير.

إذا قمت بتغيير اتجاه التيار، فسوف تقوم جهات الاتصال الباردة والساخنة بتبديل الأماكن.

هناك علاقة مباشرة بين تأثيرات بلتيير وسيبيك: يؤدي اختلاف درجة الحرارة إلى ظهور تيار كهربائي في دائرة تتكون من موصلات متباينة، والتيار الذي يمر عبر هذه الدائرة يخلق فرقًا في درجة الحرارة بين نقاط الاتصال. يتم التعبير عن هذه العلاقة بواسطة معادلة طومسون

يمكن تفسير آلية تأثير بلتيير بكل بساطة ووضوح باستخدام دائرة معدنية من أشباه الموصلات المعدنية؛ حيث توجد الدبابيس حيادي. في هذه الحالة، تكون وظائف عمل المعدن وأشباه الموصلات متساوية، ولا توجد انحناءات شريطية وطبقات استنفاد أو إثراء. في حالة التوازن، تقع مستويات فيرمي للمعدن وشبه الموصل على نفس الارتفاع، ويقع الجزء السفلي من نطاق التوصيل فوق مستوى فيرمي للمعدن، وبالتالي، بالنسبة للإلكترونات التي تنتقل من المعدن إلى شبه الموصل، هناك حاجز محتمل للارتفاع - ه فب(الشكل 7.12، أ).

أ) ب)

أرز. 7.12. مخطط دائرة الطاقة معدن-ن-أشباه الموصلات – معدن:

أ- حالات التوازن؛ ب- مرور التيار .

دعونا نطبق فرق الجهد على الدائرة ش(الشكل 7.12، ب). سوف يقع هذا الفرق المحتمل بشكل رئيسي في المنطقة ذات المقاومة العالية، أي. في شبه الموصل، حيث سيكون هناك تغير مستمر في ارتفاع المستويات. يظهر تدفق للإلكترونات في الدائرة، موجهًا من اليمين إلى اليسار.

عند المرور عبر جهة الاتصال الصحيحة، من الضروري زيادة طاقة الإلكترون. يتم نقل هذه الطاقة إلى الإلكترونات عن طريق الشبكة البلورية نتيجة عمليات التشتت، مما يؤدي إلى انخفاض الاهتزازات الحرارية للشبكة في هذه المنطقة، أي. لامتصاص الحرارة. على جهة الاتصال اليسرى تحدث العملية العكسية - نقل الطاقة الزائدة بواسطة الإلكترونات ه الجبهة الوطنيةشعرية الكريستال.

تجدر الإشارة إلى أن حاملات شحنة التوازن، بعد عبور الواجهة، تصبح غير متوازنة ولا تصبح متوازنة إلا بعد تبادل الطاقة مع الشبكة البلورية.

وبناء على هذه الاعتبارات، سوف نقوم بتقدير معامل بلتيير. تشتمل موصلية المعدن على إلكترونات تقع بالقرب من مستوى فيرمي، ومتوسط طاقتها يساوي تقريبًا طاقة فيرمي. متوسط طاقة إلكترونات التوصيل في أشباه الموصلات غير المتحللة

أين ص- الأس اعتمادا λ ~ه ص.

وبالتالي، فإن كل إلكترون يمر عبر جهة الاتصال يكتسب أو يفقد طاقة تساوي

وبقسمة هذه الطاقة على شحنة الإلكترون، نحصل على معامل بلتيير

أو مع الأخذ في الاعتبار (7.80) و (7.73)

يمكن الحصول على علاقة مماثلة من أجل الاتصال بأشباه الموصلات المعدنية

هنا ن جو ن.ف- الكثافات الفعالة للحالات في نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ (القسم 3.5).

بالنسبة للتلامس من معدن إلى معدن، يمكن تحديد معامل بلتيير باستخدام (7.79)

ص 12 =(α 1 -α 2)ت, (7.85)

أو مع الأخذ في الاعتبار التعبير عن α

أين ه و 1 و ه و 2- مستويات فيرمي في المعادن.

يوضح تحليل آلية حدوث التأثير أن معامل بلتيير للتلامس بين المعدن والمعدن أصغر بكثير مما هو عليه في حالة التلامس بين المعدن وأشباه الموصلات (انظر الفقرات 7.1 و7.2).

في حالة الاتصال بين أشباه الموصلات المتباينة، على العكس من ذلك، يكون معامل بلتيير أعلى بكثير، وهو ما يرجع إلى وجود حاجز محتمل أعلى عند حدود تقاطع p-n. بالإضافة إلى ذلك، في مثل هذه الدائرة، يتم توصيل أحد التحولات في الاتجاه الأمامي، والثاني في الاتجاه المعاكس. وفي الحالة الأولى يسود إعادة التركيبأزواج ثقب الإلكترون وإطلاق حرارة إضافية، وفي الثانية يحدث جيلالبخار وبالتالي امتصاص نفس الكمية من الحرارة.

إن تأثير التبريد لجهة الاتصال أثناء مرور التيار له أهمية عملية كبيرة، لأنه يسمح بإنشاء ثلاجات كهروحرارية لتبريد المعدات الإلكترونية ومثبتات حرارية لدعم عناصر المعدات. يتم أيضًا إنتاج رفوف تبريد مختلفة تستخدم في علم الأحياء والطب.

في الإلكترونيات الحرارية الوظيفية، يتم استخدام هذا التأثير لإنشاء نبضات حرارية - ناقلات معلومات.

عناصر بلتيير عبارة عن محولات كهروحرارية خاصة تعمل وفقًا لمبدأ بلتيير. (تكوين فرق في درجة الحرارة عند توصيل التيار الكهربائي، وبعبارة أخرى، مبرد حراري كهربائي).

ليس سراً أن الأجهزة الإلكترونية تصبح ساخنة أثناء التشغيل. يؤثر التسخين سلبًا على سير العمل، لذلك، من أجل تبريد الأجهزة بطريقة أو بأخرى، يتم بناء عناصر خاصة في جسم الجهاز، تسمى على اسم المخترع من فرنسا - بلتييه. هذا عنصر صغير الحجم يمكنه تبريد مكونات الراديو الموجودة على لوحات الجهاز. لن يسبب تثبيته بنفسك أي مشاكل، حيث يتم التثبيت في الدائرة باستخدام مكواة لحام عادية.

1- عازل سيراميكي
2 - موصل من النوع n
3 - موصل من النوع p
4- موصل النحاس

في العصور المبكرة، لم يكن أحد مهتمًا بقضايا التبريد، لذلك ظل هذا الاختراع غير مستخدم. وبعد قرنين من الزمان، عند استخدام الأجهزة الإلكترونية في الحياة اليومية والصناعة، بدأ استخدام عناصر بلتييه المصغرة، مما يذكر بتأثير المخترع الفرنسي.

مبدأ التشغيل

لفهم كيفية عمل عنصر يعتمد على اختراع بلتيير، من الضروري فهم العمليات الفيزيائية. ويتمثل التأثير في الجمع بين مادتين لهما خصائص موصلة لهما طاقات إلكترونية مختلفة في منطقة التوصيل. عندما يتم توصيل تيار كهربائي بمنطقة الاقتران، تتلقى الإلكترونات طاقة عالية للانتقال إلى منطقة التوصيل الأعلى لشبه الموصل الثاني. ومع امتصاص الطاقة، تبرد الموصلات. عندما يتدفق التيار في الاتجاه المعاكس، يحدث التأثير المعتاد لتسخين جهة الاتصال.

يتم تنفيذ جميع الأعمال على مستوى الشبكة الذرية للمادة. لفهم العمل بشكل أفضل، دعونا نتخيل غازًا يتكون من جسيمات - الفونونات. تعتمد درجة حرارة الغاز على المعلمات:

خصائص المعدن.
درجات الحرارة المحيطة.

نفترض أن المعدن يتكون من خليط من غازات الإلكترون والفونون التي تكون في حالة توازن ديناميكي حراري. عندما يتلامس معدنان لهما درجات حرارة مختلفة، ينتقل غاز الإلكترون البارد إلى المعدن الدافئ. يتم إنشاء فرق محتمل.

عند نقطة الاتصال، تمتص الإلكترونات طاقة الفونون وتنقلها إلى المعدن الآخر إلى الفونونات. عند تغيير أقطاب المصدر الحالي، سيتم عكس العملية برمتها. سيزداد الفرق في درجات الحرارة حتى تتوفر إلكترونات حرة ذات إمكانات عالية. وفي غيابها، سوف تصبح درجات الحرارة في المعادن متساوية.

إذا قمت بتركيب مشتت حراري عالي الجودة على شكل مشعاع على أحد جانبي لوحة بلتيير، فإن الجانب الثاني من اللوحة سيخلق درجة حرارة أقل. سيكون أقل بعشرات الدرجات من الهواء المحيط. كلما زادت القيمة الحالية، كلما كان التبريد أقوى. عندما يتم عكس قطبية التيار، سوف يتبادل الجانبان البارد والدافئ مع بعضهما البعض.

عند توصيل عنصر بلتيير بالمعدن، يصبح التأثير ضئيلًا، لذلك يتم تثبيت عنصرين عمليًا. يمكن أن يكون عددهم موجودًا، ويعتمد ذلك على الحاجة إلى طاقة التبريد.

تعتمد فعالية تأثير بلتيير على مدى دقة اختيار خصائص المعادن، وقوة التيار المتدفق عبر الجهاز، ومعدل إزالة الحرارة.

نطاق الاستخدام

لتطبيق عنصر بلتيير عمليًا، أجرى العلماء العديد من التجارب التي أظهرت أن زيادة إزالة الحرارة تتحقق عن طريق زيادة عدد الوصلات بين مادتين. كلما زاد عدد الوصلات بين المواد كلما زاد التأثير. في كثير من الأحيان في حياتنا، يتم استخدام هذا العنصر لتبريد الأجهزة الإلكترونية وتقليل درجة الحرارة في الدوائر الدقيقة.

فيما يلي بعض استخداماتها:

أجهزة الرؤية الليلية.
الكاميرات الرقمية وأجهزة الاتصالات والدوائر الدقيقة التي تتطلب تبريدًا عالي الجودة للحصول على تأثير أفضل للصورة.
التلسكوبات المبردة.
مكيفات الهواء.
أنظمة تبريد دقيقة على مدار الساعة لمذبذبات الكوارتز الكهربائية.
ثلاجات.
مبردات المياه.
ثلاجات سيارات .
بطاقات الفيديو.

غالبًا ما تستخدم عناصر بلتيير في أنظمة التبريد وتكييف الهواء. من الممكن تحقيق درجات حرارة منخفضة إلى حد ما، مما يفتح إمكانية استخدامها لتبريد المعدات مع زيادة التدفئة.

حاليًا، يستخدم الخبراء عناصر بلتيير في الأنظمة الصوتية التي تعمل كمبرد. لا تصدر عناصر بلتيير أي أصوات، لذا فإن الصمت هو إحدى مزاياها. أصبحت هذه التكنولوجيا شائعة بسبب نقل الحرارة القوي. العناصر المصنعة بواسطة التقنية الحديثة، لها أبعاد مدمجة، مشعات التبريد تحافظ على درجة حرارة معينة لفترة طويلة.

ميزة العناصر هي عمر الخدمة الطويل، لأنها مصنوعة في شكل جسم متجانس، فمن غير المرجح حدوث أعطال. تصميم بسيطالنوع المعتاد المستخدم على نطاق واسع بسيط، ويتكون من سلكين نحاسيين مع أطراف وأسلاك عازلة من السيراميك.

هذه قائمة صغيرة بأماكن التقديم. وهي تتوسع لتشمل الأجهزة المنزلية وأجهزة الكمبيوتر والسيارات. يمكن ملاحظة استخدام عناصر بلتيير في تبريد المعالجات الدقيقة ذات الأداء العالي. في السابق، تم تركيب المراوح فقط فيها. الآن، عند تثبيت وحدة مع عناصر بلتيير، انخفض الضجيج أثناء تشغيل الأجهزة بشكل ملحوظ.

هل ستتغير دوائر التبريد في الثلاجات التقليدية إلى دوائر تستخدم تأثير بلتيير؟ اليوم هذا من غير الممكن أن يكون ممكنا، لأن العناصر ذات كفاءة منخفضة. تكلفتها أيضًا لا تسمح باستخدامها في الثلاجات لأنها مرتفعة جدًا. سيظهر المستقبل كيف سيتطور هذا الاتجاه. اليوم، يتم إجراء التجارب باستخدام حلول صلبة متشابهة في البنية والخصائص. عند استخدامها، قد ينخفض سعر وحدة التبريد.

التأثير العكسي لعناصر بلتيير

هذا النوع من التكنولوجيا له خصوصية حقائق مثيرة للاهتمام. هذا هو تأثير توليد التيار الكهربائي عن طريق تبريد وتسخين لوحة وحدة بلتيير. وبعبارة أخرى، فهو بمثابة مولد طاقة كهربائية، بتأثير معاكس.

ولا تزال مثل هذه المولدات الكهربائية موجودة من الناحية النظرية البحتة، ولكن يمكننا أن نأمل في التطور المستقبلي لهذا الاتجاه. في وقت واحد، لم يجد المخترع الفرنسي أي تطبيق لاكتشافه.

اليوم يستخدم هذا التأثير الحراري على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات. ويتوسع نطاق التطبيق باستمرار، وهو ما تؤكده تقارير وتجارب الباحثين والعلماء. وفي المستقبل، ستتمتع الأجهزة المنزلية والإلكترونية بقدرات مبتكرة متقدمة. ستصبح الثلاجات صامتة، تمامًا مثل أجهزة الكمبيوتر. وفي هذه الأثناء، يتم تركيب وحدات بلتيير في دوائر مختلفة لتبريد مكونات الراديو.

المميزات والعيوب

تشمل مزايا عناصر بلتيير الحقائق التالية:

يسمح الغلاف المدمج للعناصر بتركيبه على لوحة تحتوي على مكونات راديو.
لا توجد أجزاء متحركة أو محتكة، مما يزيد من عمر الخدمة.
يسمح بتوصيل العديد من العناصر في سلسلة واحدة، وفقًا لمخطط يسمح لك بتقليل درجة حرارة الأجزاء الساخنة جدًا.
عندما تتغير قطبية جهد الإمداد، سيعمل العنصر بترتيب عكسي، أي أن جوانب التبريد والتدفئة ستتغير أماكنها.

تشمل العيوب ما يلي:

عدم كفاية معامل الفعل المؤثر على زيادة التيار المورد لتحقيق الفرق في درجة الحرارة المطلوبة.
نظام معقد إلى حد ما لإزالة الحرارة من سطح التبريد.

كيفية صنع عناصر بلتيير للثلاجة

يمكنك صنع عناصر بلتيير هذه بنفسك بسرعة وسهولة. تحتاج أولاً إلى اتخاذ قرار بشأن مادة الألواح. من الضروري أخذ ألواح من العناصر المصنوعة من السيراميك المتين، وإعداد الموصلات بكميات تزيد عن 20 قطعة، وذلك لضمان أكبر اختلاف في درجات الحرارة. مع وجود عدد كاف من عناصر الكفاءة، سيكون هناك زيادة كبيرة في أداء الثلاجة.

تلعب قوة الثلاجة المستخدمة دورًا كبيرًا. إذا كان يعمل على الفريون السائل، فلن تكون هناك مشاكل في الأداء. يتم تركيب لوحات العناصر بالقرب من المبخر، ويتم تركيبها مع المحرك. لمثل هذا التثبيت سوف تحتاج إلى مجموعة معينة من الحشيات والأدوات. سيضمن ذلك أن الجزء السفلي من الثلاجة يبرد بسرعة.

من الضروري عزل الموصلات بعناية، فقط بعد أن يتم توصيلها بالضاغط. بعد الانتهاء من التثبيت، تحتاج إلى التحقق من الجهد باستخدام جهاز متعدد. إذا تعطلت العناصر (على سبيل المثال، دائرة مقصورة)، سوف يعمل منظم الحرارة.

تطبيقات أخرى للوحدات الحرارية

يتم استخدام تأثير معامل بلتيير اليوم، وذلك بفضل قوانين الفيزياء. تكون الطاقة الزائدة للعناصر مفيدة دائمًا عندما يتطلب الأمر تبادلًا حراريًا صامتًا وسريعًا.

الأماكن الرئيسية التي يتم فيها استخدام الوحدات:

تبريد المعالجات الدقيقة.
تنتج محركات الاحتراق الداخلي غازات العادم، والتي بدأ العلماء في استخدامها لتوليد طاقة مساعدة باستخدام الوحدات الكهروحرارية. يتم إمداد الطاقة التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة مرة أخرى إلى المحرك على شكل كهرباء. وهذا يخلق وفورات في الوقود.
في الأجهزة المنزلية التي تعمل على التدفئة أو التبريد.

يمكن أن يصبح مبرد التبريد سخانًا، ويمكن أن تعمل الثلاجة كخزانة تدفئة إذا تم عكس قطبية التيار المستمر. وهذا ما يسمى تأثير عكسي.

ويستخدم هذا المبدأ في المتعافين. يتكون من صندوق من غرفتين. وهي متصلة ببعضها البعض بواسطة مروحة. تقوم عناصر بلتيير بتسخين الهواء البارد القادم من الخارج باستخدام الطاقة المستخرجة من الهواء الدافئ داخل الغرفة. يوفر هذا الجهاز تكاليف تسخين المساحة.

تأثير بلتيير تأثير بلتيير

إطلاق أو امتصاص الحرارة عندما يمر التيار عبر نقطة اتصال (وصلة) لاثنين من الموصلات المختلفة. كمية الحرارة تتناسب مع قوة التيار. المستخدمة في وحدات التبريد. افتتح في عام 1834 من قبل جيه بلتييه.

تأثير بلتيير

تأثير بلتيير، للظواهر الحرارية (سم.الظواهر الحرارية)يتكون من إطلاق أو امتصاص الحرارة عندما يمر تيار كهربائي عبر نقطة اتصال (وصلة) لموصلين مختلفين. تأثير بلتيير هو عكس تأثير سيبيك (سم.تأثير سيبيك).
تم اكتشافه عام 1834 بواسطة ج. بيليتييه (سم.بلتييه جان تشارلز أتاناز)الذي اكتشف أنه عندما يمر تيار عبر وصلة بين موصلين مختلفين، تتغير درجة حرارة الوصلة. في عام 1838 إي إتش لينز (سم.لينز إميلي خريستيانوفيتش)أظهر أنه مع وجود تيار مرتفع بدرجة كافية، من الممكن إما تجميد أو غليان قطرة ماء مطبقة على الوصلة عن طريق تغيير اتجاه التيار.
جوهر تأثير بلتيير هو أنه عندما يمر تيار كهربائي عبر ملامسة معدنين أو أشباه الموصلات في منطقة اتصالهما، بالإضافة إلى حرارة الجول المعتادة، يتم إطلاق أو امتصاص كمية إضافية من الحرارة، تسمى بلتيير الحرارة Qp على عكس حرارة الجول، التي تتناسب طرديًا مع مربع شدة التيار، فإن قيمة Qp تتناسب مع القوة الأولى للتيار.
س ع = بي. ر.
تي - وقت المرور الحالي،
أنا - القوة الحالية.
P هو معامل بلتيير، وهو معامل التناسب الذي يعتمد على طبيعة المواد التي تشكل جهة الاتصال. تتيح المفاهيم النظرية التعبير عن معامل بلتيير من خلال الخصائص المجهرية لإلكترونات التوصيل.
معامل بلتيير P = T Da، حيث T هي درجة الحرارة المطلقة، وDa هو الفرق في المعاملات الحرارية للموصلات. يحدد اتجاه التيار ما إذا كانت حرارة بلتيير سيتم إطلاقها أو امتصاصها.
سبب التأثير هو أنه في حالة الاتصال بين المعادن أو أشباه الموصلات، ينشأ فرق جهد الاتصال الداخلي عند الحدود. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن الطاقة المحتملة للناقلات على جانبي الاتصال تصبح مختلفة، لأن متوسط \u200b\u200bطاقة الناقلات الحالية يعتمد على طيف الطاقة وتركيزها وآليات تبديدها ويختلف في الموصلات المختلفة. نظرًا لأن متوسط طاقة الإلكترونات المشاركة في نقل التيار يختلف باختلاف الموصلات، ففي عملية الاصطدام مع أيونات الشبكة، تتخلى الناقلات عن الطاقة الحركية الزائدة للشبكة، ويتم إطلاق الحرارة. إذا انخفضت الطاقة المحتملة للحاملات عند المرور عبر جهة اتصال، فإن طاقتها الحركية تزداد وتؤدي الإلكترونات، التي تصطدم بأيونات الشبكة، إلى زيادة طاقتها إلى قيمة متوسطة، بينما يتم امتصاص حرارة بلتيير. وهكذا، عندما تمر الإلكترونات عبر نقطة اتصال، فإن الإلكترونات إما تنقل الطاقة الزائدة إلى الذرات أو تجددها على حسابها.
أثناء انتقال الإلكترونات من شبه الموصل إلى المعدن، تكون طاقة إلكترونات التوصيل لشبه الموصل أعلى بكثير من مستوى فيرمي (انظر طاقة فيرمي (سم.طاقة فيرمي)) المعدن، وتتخلى الإلكترونات عن طاقتها الزائدة. تأثير بلتيير قوي بشكل خاص في أشباه الموصلات، والذي يستخدم لإنشاء أجهزة أشباه الموصلات للتبريد والتدفئة، بما في ذلك إنشاء ثلاجات صغيرة في وحدات التبريد.

القاموس الموسوعي. 2009 .

انظر ما هو "تأثير بلتيير" في القواميس الأخرى:

إطلاق أو امتصاص الحرارة أثناء مرور الكهرباء. الحالي الأول من خلال الاتصال بين اثنين مختلفين. الموصلات. يتم استبدال إطلاق الحرارة بالامتصاص عندما يتغير اتجاه التيار. الفرنسية فتحت الفيزيائي ج. بلتييه عام 1834. كمية الحرارة... ... الموسوعة الفيزيائية

تأثير بلتيير هو عملية إطلاق أو امتصاص الحرارة عندما يمر تيار كهربائي عبر ملامسة موصلين مختلفين. تعتمد كمية الحرارة المتولدة وعلامتها على نوع المواد الملامسة وقوة التيار وزمن العبور... ... ويكيبيديا

إطلاق أو امتصاص الحرارة عندما يمر التيار عبر نقطة اتصال (وصلة) بين موصلين مختلفين. كمية الحرارة تتناسب مع قوة التيار. المستخدمة في وحدات التبريد. افتتح في عام 1834 من قبل J. بيليتييه... القاموس الموسوعي الكبير

إطلاق أو امتصاص الحرارة عندما يمر تيار كهربائي عبر نقطة اتصال (وصلة) بين موصلين مختلفين. يتم استبدال إطلاق الحرارة بالامتصاص عندما يتغير اتجاه التيار. اكتشفه جيه بلتييه عام 1834. المبلغ المخصص أو ... الموسوعة السوفيتية الكبرى

تأثير بلتيير هو ظاهرة كهروحرارية يتم فيها إطلاق الحرارة أو امتصاصها عندما يمر تيار كهربائي عند نقطة الاتصال (الوصلة) بين موصلين مختلفين. تعتمد كمية الحرارة المتولدة وعلامتها على النوع... ويكيبيديا

إطلاق أو امتصاص (اعتمادًا على اتجاه التيار) للحرارة عند ملامسة اثنين من أشباه الموصلات المختلفتين أو المعدن وأشباه الموصلات

الرسوم المتحركة

وصف

تأثير بلتيير هو ظاهرة كهروحرارية، وهو عكس تأثير سيبيك: عندما يتم تمرير تيار كهربائي من خلال اتصال (تقاطع) من اثنين مواد مختلفة(الموصلات أو أشباه الموصلات) عند الاتصال، بالإضافة إلى حرارة جول، يتم إطلاق حرارة بلتييه الإضافية QP في اتجاه واحد من التيار ويتم امتصاصها في الاتجاه المعاكس.

تعتمد كمية الحرارة المتولدة QP وعلامتها على نوع المواد الملامسة وقوة التيار وزمن مروره:

dQ P = p 12 H I H dt.

هنا p 12 = p 1 -p 2 هو معامل بلتيير لجهة اتصال معينة، المرتبط بمعاملات بلتيير المطلقة p 1 وp 2 للمواد الملامسة. في هذه الحالة، من المفترض أن التيار يتدفق من العينة الأولى إلى الثانية. عندما يتم إطلاق حرارة بلتيير، لدينا: Q P >0, p 12 >0, p 1 > p 2 . عندما يتم امتصاص حرارة البلتيير تعتبر سلبية، وبالتالي: QP<0,p 12 <0, p 1

بدلًا من حرارة بلتيير، غالبًا ما يتم استخدام كمية فيزيائية، يتم تعريفها على أنها طاقة حرارية يتم إطلاقها كل ثانية عند اتصال وحدة المساحة. يتم تحديد هذه الكمية، التي تسمى قوة إطلاق الحرارة، بواسطة الصيغة:

ف ف = ص 12 ح ي,

حيث j=I/S - كثافة التيار؛

S - منطقة الاتصال؛

البعد لهذه الكمية هو SI = W/m2.

من قوانين الديناميكا الحرارية يترتب على ذلك أن معامل بلتيير ومعامل الطاقة الحرارية a يرتبطان بالعلاقة:

ع = aЧ T،

حيث T هي درجة حرارة التلامس المطلقة.

معامل بلتيير، وهو خاصية تقنية مهمة للمواد، لا يتم قياسه، كقاعدة عامة، ولكن يتم حسابه باستخدام معامل الطاقة الحرارية، وقياسه أبسط.

في التين. 1 والتين. يوضح الشكل 2 دائرة مغلقة مكونة من نوعين مختلفين من أشباه الموصلات PP1 وPP2 مع جهات الاتصال A وB.

إطلاق حرارة بلتيير (دبوس أ)

أرز. 1

امتصاص الحرارة بلتيير (دبوس أ)

أرز. 2

تسمى هذه الدائرة عادةً بالعنصر الحراري، وتسمى فروعها بالأقطاب الكهربائية الحرارية. يتدفق تيار تم إنشاؤه بواسطة مصدر خارجي عبر الدائرة. أرز. يوضح الشكل 1 الوضع عندما يتم إطلاق حرارة بلتيير عند التلامس A (يتدفق التيار من PP1 إلى PP2) Q P (A)>0، وعند التلامس B (يتم توجيه التيار من PP2 إلى PP1) يكون امتصاصها Q P (B)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >تلفزيون .

في التين. 2، يؤدي تغيير إشارة المصدر إلى تغيير اتجاه التيار إلى الاتجاه المعاكس: من PP2 إلى PP1 عند جهة الاتصال A ومن PP1 إلى PP2 عند جهة الاتصال B. وعليه تتغير إشارة حرارة بلتيير والعلاقة بين درجات حرارة التلامس: Q P (A)<0, Q P (В)>0، ت أ<Т В .

إن سبب حدوث تأثير بلتيير عند تلامس أشباه الموصلات مع نفس نوع حاملات التيار (اثنين من أشباه الموصلات من النوع n أو اثنين من أشباه الموصلات من النوع p) هو نفسه كما في حالة تلامس موصلين معدنيين. تمتلك ناقلات التيار (الإلكترونات أو الثقوب) الموجودة على جوانب مختلفة من الوصلة طاقات متوسطة مختلفة، والتي تعتمد على عدة أسباب: طيف الطاقة، التركيز، آلية تشتت حامل الشحنة. إذا دخلت الموجات الحاملة، بعد مرورها عبر الوصلة، إلى منطقة ذات طاقة أقل، فإنها تنقل الطاقة الزائدة إلى الشبكة البلورية، ونتيجة لذلك يتم إطلاق حرارة بلتيير بالقرب من جهة الاتصال (Q P >0) وتزيد درجة حرارة التلامس. في هذه الحالة، عند التقاطع الآخر، تنتقل الموجات الحاملة إلى منطقة ذات طاقة أعلى، وتستعير الطاقة المفقودة من الشبكة، ويتم امتصاص حرارة بلتيير (Q P<0 ) и понижение температуры.

يتجلى تأثير بلتيير، مثل جميع الظواهر الكهروحرارية، بشكل خاص في الدوائر المكونة من أشباه الموصلات الإلكترونية (النوع n) والثقب (النوع p). في هذه الحالة، تأثير بلتيير له تفسير مختلف. دعونا نفكر في الموقف عندما ينتقل التيار في جهة الاتصال من ثقب أشباه الموصلات إلى ثقب إلكتروني (Р ® n). في هذه الحالة، تتحرك الإلكترونات والثقوب نحو بعضها البعض، وبعد أن تلتقي، تتحد مرة أخرى. نتيجة لإعادة التركيب، يتم إطلاق الطاقة، والتي يتم إطلاقها في شكل حرارة. يظهر هذا الوضع في الشكل. 3، والذي يوضح نطاقات الطاقة (e c - نطاق التوصيل، e v - نطاق التكافؤ) لأشباه الموصلات غير النقية ذات الفتحة والموصلية الإلكترونية.

إطلاق حرارة بلتيير عند ملامسة أشباه الموصلات من النوع p و n

أرز. 3

في التين. 4 (e c - نطاق التوصيل، e v - نطاق التكافؤ) يوضح امتصاص حرارة بلتيير للحالة عندما ينتقل التيار من n إلى p - أشباه الموصلات (n ® p).

امتصاص بلتيير للحرارة عند ملامسة أشباه الموصلات من النوع p و n

أرز. 4

هنا، تتحرك الإلكترونات الموجودة في شبه الموصل الإلكتروني والثقوب الموجودة في ثقب شبه الموصل في اتجاهين متعاكسين، مبتعدتين عن الواجهة. يتم تعويض فقدان الموجات الحاملة الحالية في المنطقة الحدودية من خلال الإنتاج الزوجي للإلكترونات والثقوب. يتطلب تكوين مثل هذه الأزواج طاقة يتم توفيرها عن طريق الاهتزازات الحرارية لذرات الشبكة. يتم رسم الإلكترونات والثقوب الناتجة في اتجاهين متعاكسين بواسطة المجال الكهربائي. لذلك، طالما أن التيار يتدفق عبر جهة الاتصال، تولد أزواج جديدة بشكل مستمر. ونتيجة لذلك، سيتم امتصاص الحرارة في الاتصال.

لكي يكون تأثير بلتيير ملحوظًا على خلفية التسخين العام المرتبط بإطلاق حرارة Joule-Lenz، يجب استيفاء الشرط التالي: S Q P Si Q J . . ونتيجة لذلك يتم الحصول على العلاقات التالية التي يجب مراعاتها عند إجراء التجارب:

حيث R هي مقاومة قسم القطب الحراري بطول l الذي تنطلق عنده الحرارة؛

ص - المقاومة الكهربائية.

يعتمد معامل بلتيير، الذي يحدد كمية حرارة بلتيير المنبعثة عند التلامس، على طبيعة المواد الملامسة ودرجة حرارة التلامس: ع 12 = أ 12 · T = (أ 1 - أ 2 ) · T حيث أ 1 و 2 هي معاملات الطاقة الحرارية المطلقة للمواد الملامسة. إذا كان معامل الطاقة الحرارية لمعظم أزواج المعادن في حدود 10-5 × 10-4 فولت/ك، فإنه يمكن أن يكون أعلى بكثير بالنسبة لأشباه الموصلات (يصل إلى 1.5 × 10-3 فولت/ك). بالنسبة لأشباه الموصلات ذات أنواع مختلفة من الموصلية، a لها علامات مختلفة، ونتيجة لذلك Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.

تجدر الإشارة إلى أن معامل الطاقة الحرارية يعتمد بطريقة معقدة على تكوين ودرجة حرارة أشباه الموصلات، في حين أنه بالمقارنة مع المعادن، فإن اعتماد درجة الحرارة لأشباه الموصلات أكثر وضوحًا. يتم تحديد علامة a بواسطة علامة حاملات الشحنة. لا توجد صيغ تجريبية عامة، ناهيك عن النظرية، تغطي الخواص الحرارية لأشباه الموصلات على نطاق واسع من درجات الحرارة. عادةً، القوة الدافعة الحرارية a لأشباه الموصلات، بدءًا من القيمة a = 0 عند T = 0، تزداد أولاً بما يتناسب مع T، ثم بشكل أبطأ، وغالبًا ما تظل ثابتة في نطاق درجة حرارة معين، وفي منطقة درجات الحرارة المرتفعة ( أكثر من 500 كيو 700 كلفن) يبدأ في الانخفاض وفقًا للقانون a~ 1/T.

ميزة أخرى مميزة لأشباه الموصلات هي الدور الحاسم للشوائب، التي يؤدي إدخالها إلى عدم تغيير القيمة عدة مرات فحسب، بل أيضًا تغيير علامة a.

في أشباه الموصلات ذات الموصلية المختلطة، تكون المساهمات في الطاقة الحرارية للثقوب والإلكترونات معاكسة، مما يؤدي إلى قيم صغيرة لـ a وp.

في الحالة الخاصة عندما تكون التركيزات (n) والتنقل (u) للإلكترونات والثقوب متساوية (ne = np وue = up)، تصبح قيم a وp صفرًا:

أ~ (ne ue - np up) / (ne ue + np up).

تأثير بلتيير، مثل الظواهر الكهروحرارية الأخرى، هو ظاهري بطبيعته.

يتم استخدام تأثير بلتيير في أشباه الموصلات للتبريد والتدفئة الحرارية، والذي له تطبيقات عملية في التحكم في درجة الحرارة وأجهزة التبريد.

تم اكتشاف ظاهرة بلتيير بواسطة جيه بلتيير في عام 1834.

خصائص التوقيت

وقت البدء (سجل من -3 إلى 2)؛

مدى الحياة (سجل ح من 15 إلى 15)؛

وقت التدهور (سجل td من -3 إلى 2)؛

وقت التطوير الأمثل (سجل tk من -2 إلى 3).

رسم بياني:

التطبيقات الفنية للتأثير

التنفيذ الفني لتأثير بلتيير في أشباه الموصلات

الوحدة التكنولوجية الرئيسية لجميع أجهزة التبريد الكهروحرارية هي بطارية كهروحرارية مكونة من عناصر حرارية متصلة بالسلسلة. نظرًا لأن الموصلات المعدنية لها خواص كهروحرارية ضعيفة، فإن العناصر الحرارية مصنوعة من أشباه الموصلات، ويجب أن يتكون أحد فروع العنصر الحراري من ثقب خالص (النوع p)، والآخر من شبه موصل إلكتروني بحت (النوع n). إذا اخترت الاتجاه الحالي (الشكل 5)، حيث سيتم امتصاص حرارة بلتييه عند نقاط الاتصال الموجودة داخل الثلاجة، ويتم إطلاقها في المساحة المحيطة عند نقاط الاتصال الخارجية، فإن درجة الحرارة داخل الثلاجة ستنخفض، وتقل المساحة سوف يسخن خارج الثلاجة (وهو ما يحدث في أي تصميم للثلاجة).

رسم تخطيطي للثلاجة الحرارية

أرز. 5

السمة الرئيسية لجهاز التبريد الحراري هي كفاءة التبريد:

ض= أ 2 /(رل) ,

حيث a هو معامل الطاقة الحرارية؛

ص - المقاومة.

l هي الموصلية الحرارية لأشباه الموصلات.

المعلمة Z هي دالة لدرجة الحرارة وتركيز حامل الشحنة، ولكل درجة حرارة معينة توجد قيمة تركيز مثالية تكون عندها قيمة Z هي الحد الأقصى. يرتبط الحد الأقصى لخفض درجة الحرارة بقيمة الكفاءة بالتعبير:

D T ماكس = (1/2) Х Z Х T 2،

حيث T هي درجة حرارة الوصل البارد للعنصر الحراري.

كلما زادت قيمة Z للفروع الفردية، زادت قيمة Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2، وهو ما يحدد الكفاءة. العنصر الحراري بأكمله. يُنصح باختيار أشباه الموصلات ذات أعلى قيم التنقل والحد الأدنى من التوصيل الحراري. إن إدخال شوائب معينة في أشباه الموصلات هو الوسيلة الرئيسية المتاحة لتغيير معلماتها (a، r، l) في الاتجاه المطلوب.

توفر أجهزة التبريد الحرارية الحديثة تخفيضًا لدرجة الحرارة من +20 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية؛ عادة لا تزيد قدرة التبريد الخاصة بها عن 100 واط.

من الناحية التكنولوجية، يتم تثبيت القضبان المصنوعة من مواد شبه موصلة ذات موصلية p و n (1) على ألواح موصلة للحرارة مصنوعة من مادة عازلة (2) باستخدام موصلات معدنية (3) كما هو موضح في الشكل. 6.

مخطط الوحدة الحرارية

أرز. 6

تطبيق تأثير

المجالات الرئيسية للاستخدام العملي لتأثير بلتيير في أشباه الموصلات: الحصول على البرودة لإنشاء أجهزة تبريد كهروحرارية، والتدفئة لأغراض التسخين، والترموستات، والتحكم في عملية التبلور في ظل ظروف درجة حرارة ثابتة.

تتميز طريقة التبريد الحراري بالعديد من المزايا مقارنة بطرق التبريد الأخرى. تتميز الأجهزة الحرارية بسهولة التحكم والقدرة على تنظيم درجة الحرارة بدقة والضوضاء والموثوقية التشغيلية العالية. العيب الرئيسي للأجهزة الكهروحرارية هو كفاءتها المنخفضة، مما لا يسمح باستخدامها في الإنتاج الصناعي "البارد".

تُستخدم أجهزة التبريد الحرارية في الثلاجات المنزلية والنقل، وأجهزة تنظيم الحرارة، لتبريد وضبط العناصر الحساسة للحرارة للمعدات الراديوية الإلكترونية والبصرية، للتحكم في عملية التبلور، في الأجهزة الطبية والبيولوجية، وما إلى ذلك.

في تكنولوجيا الكمبيوتر، تحمل أجهزة التبريد الحرارية الاسم العامي "المبردات" (من المبرد الإنجليزي - المبرد).

الأدب

1. الموسوعة الفيزيائية.- م.: الموسوعة الروسية الكبرى، 1998.- T.5.- ص 98-99، 125.

2. سيفوخين إس.دي. دورة الفيزياء العامة - م: ناوكا، 1977. - ت.3. الكهرباء.- ص490-494.

3. ستيلبانز إل إس. فيزياء أشباه الموصلات - م، 1967. - ص 75-83، 292-311.

4. إيوفي أ.ف. العناصر الحرارية لأشباه الموصلات - م، 1960.

الكلمات الدالة