Термоэлектрическое охлаждение.

Метод термоэлектрического охлаждения основан на эффекте Пельтье (1834 г.). Этот эффект заключается в выделении (или поглощении) теплоты Q в месте контакта двух различных проводников, включенных в электрическую цепь, при прохождении через нее тока. Рабочий средой в такой электрической цепи из двух разнородных проводников является электронный газ, который переносит энергию от холодного контакта к теплому.

Кинетику термоэлектрических явлений объясняют на основе статистической теории электронного газа. При движении электронов в металлическом проводнике под действием разности потенциалов их средняя кинетическая энергия различна для разных материалов. При переходе электронов из одного материала в другой этот избыток (или недостаток) энергии выделяется (или поглощается) в виде теплоты Q в зоне контакта. Термическая неравновесность проводника также приводит к диффузии электронов из теплой зоны в холодную, влияя на термоэлектрические явления. Если учесть еще и джоулеву теплоту, то полная картина явлений в проводнике с током оказывается достаточно сложной. Эффект Пельтье у металлов мал, значительно выше он у полупроводников, особенно в парах разнородных полупроводников дырочного (р) и электронного (n) типов. Схема термоэлемента, состоящего из двух последовательно соединенных полупроводниковых ветвей А и В, приведена на рис. 87. При прохождении тока в зоне с низкой температурой T_x поглощается теплота Q_x, необходимая для образования пары электрон–дырка, которая движется в зону с высокой температурой Т₀, где эта пара аннигилирует с выделением теплоты Q₀. Количество теплоты Q_x прямо пропорционально силе тока I и температуре Т_x холодного конца:

Q_x=αIT_x,

где α – коэффициент термоЭДС, зависящий от рода материала. Полная термоЭДС пары проводников А и В определяется разностью абсолютных значений α для каждого проводника α=α_A–α_B.

Уравнение теплового баланса для контакта, находящегося в холодной зоне, при отсутствии теплопритока из окружающей среды имеет вид

(α_A–α_B)IT_x=Q_x+0,5I²R+К(Т₀–T_х),

где Q_x – полезный эффект охлаждения.

Минимально возможная температура T_х может быть достигнута при Q_x=0; тогда соответствующая разность температур

Т₀–T_х=[(α_A–α_B)/T_х–0,5I²R]/K.

Оптимальную силу тока I_opt, соответствующую наибольшей разности температур (Т₀–T_х)_max, можно определить, используя условие максимума д(Т₀–T_х)/дI=0. Тогда I_opt=(α_A–α_B)T_x/R. Подставив I_opt, получим

,

где Ζ=(α_A–α_B)²/(KR) – комплекс, определяющий физические свойства материалов термоэлементов.

Преимущества термоэлектрического охлаждения – простота, отсутствие движущихся частей, высокая надежность. Однако низкие термодинамические характеристики не позволяют пока применять эти устройства для эффективной работы при температуре ниже 170 К.