Термоэлектрические холодильники

Термоэлектрические холодильники.

1.  Основы теории термоэлектрических устройств.

В 1821 году немецким ученым Зеебеком открыто явление, которое заключается в том, что при создании замкнутой цепи из разнородных металлов и нагреве одного из контактов или охлаждении одного из контактов, в замкнутой цепи возникает электрический ток. Это явление, получившее название эффекта Зеебека, объясняется тем, что электрическая проводимость в материалах осуществляется свободными электронами или зарядами, освобожденными от электронов, так называемыми «дырками». Материалы, в которых проводимость осуществляется электронами, называется материалами с n-проводимостью, а в которых проводимость осуществляется дырками - заряды с p-проводимостью.

Энергия свободных электронов и дырок зависит от температуры материала, при этом для различных материалов эта энергия при одной и той же температуре будет различной. Если соединить два проводника с различной энергией зарядов, то заряды проводника с большей энергией будут переходить в проводник с меньшей энергией зарядов.

Возможен и обратный эффект: при прохождении тока через границу двух разнородных материалов произойдет нагревание или остывание контактов. Это явление открыл в 1834 году французский физик Пельтье. Поглощение теплоты в месте контакта разнородных проводников объясняется также переносом при прохождении тока зарядов из вещества с низкой энергией в вещество с более высокой энергией зарядов. Перешедшие заряды повышают свою энергию за счет энергии кристаллической решетки вещества, вызывая поглощение теплоты. В противоположном контакте заряды с высокой энергией передадут свою энергию кристаллической решетке вещества, в которое они перешли, в результате чего вещество нагревается.

Возможность создания холодильника на основе эффекта Пельтье была проанализирована Альтенкирхом с применением различных металлов. Им было показано, что термоэлементы из металлов непригодны для создания холодильников вследствие низкой эффективности. Долгое время эффект термоэлектрического охлаждения не находил практического применения из-за отсутствия достаточно эффективных материалов термоэлементов и только после открытием в области полупроводниковой техники появилась возможность использовать это явление на практике.

Принципиальная схема бытового термоэлектрического холодильника показана на рис.1. Термобатарея (рис.1б), состоящая из двух различных полупроводниковых термоэлементов n и p, размещается в одной из стенок холодильной камеры так, чтобы холодные спаи были обращены в холодильную камеру, а горячие - в более теплую окружающую среду.

К конечным элементам термобатареи подключается источник постоянного тока. В качестве источника постоянного тока может служить электрический аккумулятор (батарея или генератор постоянного тока). В стационарных условиях эксплуатации постоянный ток питания термобатареи получается обычно с использованием выпрямителя от сети переменного тока.

При направлении тока, указанном на рис.1а стрелками, ток со стороны холодных спаев термобатареи оказывается направленным от термоэлемента n к термоэлементу p, а со стороны горячих спаев, – наоборот, - от «p» к «n». Разность направлений движения зарядов постоянного тока через два термоэлемента из различных материалов и вызывает перепад температур на их концах.

Если направление постоянного тока изменить на противоположное, то в верхних спаях термобатареи (рис.1) ток будет идти от «p» к «n» и концы термоэлементов будут нагреваться. Таким образом, изменяя направление питающего постоянного тока, можно легко изменить режим работы термобатареи с охлаждения на нагревание воздуха в среде ограниченного объема. Это используется в отопительно-охладительных термоэлектрических кондиционерах воздуха.

В работе термобатареи (рис.1б) можно наблюдать одновременно три термоэлектрических явления: эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона.

Рассмотрим характер проявления и основные закономерности этих явлений.