Efeito Peltier: o efeito mágico da corrente elétrica

O começo do século XIX. A Era de Ouro da Física e Engenharia Elétrica. Em 1834, o relojoeiro e naturalista francês Jean-Charles Peltier colocou uma gota de água entre os eletrodos de bismuto e antimônio e depois passou uma corrente elétrica pelo circuito. Para sua surpresa, ele viu que a gota havia subitamente congelado.

O efeito térmico da corrente elétrica nos condutores era conhecido, mas o efeito oposto era semelhante à mágica. Você pode entender os sentimentos de Peltier: esse fenômeno na junção de duas áreas diferentes da física - termodinâmica e eletricidade, causa hoje um sentimento de milagre.

O problema do resfriamento não era tão agudo como é hoje. Portanto, o efeito Peltier foi abordado somente após quase dois séculos, quando surgiram dispositivos eletrônicos, para os quais eram necessários sistemas de refrigeração em miniatura. Virtude Elementos de refrigeração Peltier são pequenas dimensões, ausência de peças móveis, possibilidade de conexões em cascata para obter grandes diferenças de temperatura.

Além disso, o efeito Peltier é reversível: quando a polaridade da corrente através do módulo muda, o resfriamento é substituído pelo aquecimento, facilitando a implementação de sistemas de manutenção precisa da temperatura - termostatos. A desvantagem dos elementos Peltier (módulos) é a baixa eficiência, que requer a soma de grandes valores de corrente para obter uma diferença de temperatura perceptível. A complexidade é representada pela remoção de calor da placa oposta ao plano de resfriamento.

Mas as primeiras coisas primeiro. Primeiro, vamos tentar considerar os processos físicos responsáveis ​​pelo fenômeno observado. Sem mergulhar no abismo dos cálculos matemáticos, apenas tentaremos entender a natureza desse interessante fenômeno físico nos "dedos".

Como estamos falando de fenômenos de temperatura, os físicos, por conveniência de uma descrição matemática, substituem as vibrações da estrutura atômica de um material por um certo gás que consiste, por assim dizer, em partículas - fônons.

A temperatura do gás fônon depende da temperatura ambiente e das propriedades do metal. Então, qualquer metal é uma mistura de gases elétron e fônon em equilíbrio termodinâmico. Quando dois metais diferentes entram em contato na ausência de um campo externo, um gás elétron "mais quente" entra na zona de um "mais frio", criando uma diferença de potencial de contato conhecida por todos.

Ao aplicar a diferença de potencial à transição, ou seja, à medida que a corrente flui através dos limites de dois metais, os elétrons retiram energia dos fônons de um metal e a transferem para o gás do fônon de outro. Com uma mudança de polaridade, a transferência de energia, o que significa que aquecimento e resfriamento, muda de sinal.

Nos semicondutores, elétrons e "orifícios" são responsáveis ​​pela transferência de energia, mas o mecanismo de transferência de calor e a aparência de uma diferença de temperatura são preservados. A diferença de temperatura aumenta até que os elétrons de alta energia se esgotem. O equilíbrio da temperatura é estabelecido. Esta é a imagem moderna da descrição Efeito Peltier.

É claro disso que Desempenho do elemento Peltier depende da seleção de um par de materiais, resistência atual e velocidade de remoção de calor da zona quente. Para materiais modernos (geralmente semicondutores), a eficiência é de 5 a 8%.

E agora sobre a aplicação prática do efeito Peltier. Para aumentá-lo, os termopares individuais (junções de dois materiais diferentes) são montados em grupos que consistem em dezenas e centenas de elementos. O principal objetivo desses módulos é o resfriamento de pequenos objetos ou microcircuitos.

Módulo de resfriamento termoelétrico

Módulos baseados no efeito Peltier são amplamente utilizados em dispositivos de visão noturna com uma matriz de receptores de infravermelho.Os microcircuitos acoplados a carga (CCDs), que também são usados ​​hoje em câmeras digitais, exigem um resfriamento profundo para gravar imagens na região infravermelha. Os módulos Peltier refrigeram detectores de infravermelho em telescópios, elementos ativos do laser para estabilizar a frequência de radiação, osciladores de cristal em sistemas de tempo exato. Mas essas são todas aplicações militares e especiais.

Recentemente, os módulos Peltier encontraram aplicação em produtos domésticos. Principalmente na tecnologia automotiva: condicionadores de ar, geladeiras portáteis, refrigeradores de água.

Um exemplo do uso prático do efeito Peltier

A aplicação mais interessante e promissora de módulos é a tecnologia de computador. Microprocessadores, processadores e chips de placas de vídeo de alto desempenho emitem muito calor. Para resfriá-los, são utilizados ventiladores de alta velocidade, que criam ruído acústico significativo. O uso dos módulos Peltier como parte dos sistemas de refrigeração combinados elimina o ruído com a remoção significativa de calor.

Compact USBrefrigerador usando módulos Peltier

E, finalmente, uma pergunta lógica: os módulos Peltier substituirão os sistemas de refrigeração convencionais nos refrigeradores domésticos de compressão? Hoje não é rentável em termos de eficiência (baixa eficiência) e preço. O custo de módulos poderosos ainda é bastante alto.

Mas a tecnologia e a ciência dos materiais não param. É impossível excluir a possibilidade do aparecimento de materiais novos e mais baratos, com alta eficiência e alto coeficiente de Peltier. Hoje já existem relatórios de laboratórios de pesquisa sobre as incríveis propriedades dos materiais de nanocarbonos que podem mudar radicalmente a situação com sistemas de refrigeração eficientes.

Há relatos de alto índice de mérito termoelétrico de clastratos - soluções sólidas similares em estrutura aos hidratos. Quando esses materiais saem dos laboratórios de pesquisa, refrigeradores completamente silenciosos com vida útil ilimitada substituem nossos modelos domésticos comuns.

P.S. Umoh dos mais interessante características tecnologia termoelétrica é isso ela é pode não só usar energia elétrica para obter calor e frio, mas também graças a ela podemas inicie o processo inverso e, por exemplo, obtenha energia elétrica do calor.  

Um exemplo de como você pode obter eletricidade do calor com usando módulo termoelétrico (gerador termoelétrico) olha isso video:

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