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. 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: Rysunek 1 Thomas Seebeck Gdzie: S A i S B 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: Rysunek 4 Schemat zjawiska Peltiera gdzie: 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