珀尔帖效应---TEC原理

珀尔帖效应---TEC原理

 

概述

　　珀尔帖效应^[1]就是电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是珀尔帖效应。由珀尔帖效应产生的热流量称作珀尔帖热。对珀尔帖效应

  

半导体致冷器

的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。

　　1834年法国科学家珀尔贴发现了热电致冷和致热现象－即温差电效应。由N、P型材料组成一对热电偶， 当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同， 将在电偶结点处产生吸热和放热现象，称这种现象为珀尔帖效应。

　　半导体致冷器, 也叫热电致冷器或温差致冷器, 它采用了珀尔贴效应.

 

 

发现

　　珀尔帖现象最早是在1821年，由一位德国科学家Thomas Seeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。到了1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家珀尔帖，才发现背后真正的原因，珀尔帖发现这样一种现

  

致冷器原理

象：用两块不同的导体联接成电偶，并接上直流电源，当电偶上流过电流时，会发生能量转移现象，一个接头处放出热量变热，另一个接头处吸收热量变冷，这种现象称作珀尔帖效应。这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，也就是[致冷器]的发明(注意，这种叫致冷器，还不叫半导体致冷器)。

 

 

发现者

　　帕尔帖效应是法国科学家珀尔帖于1834年发现的，所以，一提到帕尔帖的名字，人们很容易将他与帕尔帖效应联系起来，并误以为他是一个物理学家，实际上他至多算个业余的物理学家。

　　帕尔帖生于法国索姆，他本来是一个钟表匠，30岁那年放弃了这个职业，转而投身到实验与科学观测领域之中。在他撰写的大量论文中，绝大部分都是关于自然现象的观测，譬如天电、龙卷风、天空蓝度测量与光偏振、球体水温、极地沸点等，

  

帕尔帖

也有少量博物学方面的论文。

　　1837年，俄国物理学家愣次（Lenz，1804～1865）发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比，比例系数称为“帕尔帖系数”。

　　Q=л·I=a·Tc·I，其中л=a·Tc

　　式中：Q——放热或吸热功率

　　π——比例系数，称为珀尔帖系数

　　I——工作电流

　　a——温差电动势率

　　Tc——冷接点温度

 

 

实验仪

　　实用新型属于物理学用的教学仪器。它选用Ｎ型半导体和Ｐ型半导体组成多个电偶对。当直流电流进Ｎ—Ｐ型电偶对时，电偶对右端吸热，形成冷端，连接一透明冷室；左端放热，形成热端，连接一散热水箱。配以温度计、毫伏表、可演示珀尔帖效应、赛贝克效应，具有方便、直观、效果明显的优点。作为冷源演示热学现象，是一种不需冷媒的，方便、直观、清洁、无毒害的教学冷源。

　　其特征是选用Ｎ型半导体和Ｐ型半导体形成多个电偶对，组成冷板，当直流电流进Ｎ—Ｐ型电偶对时，电偶对右端吸热，形成冷端，连接一透明冷室，电偶对左端放热，形成热端，连接一散热水箱。

　　致冷器采用了珀尔帖效应

 

物理原理

　　电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收

  

物理原理

热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热，用符号珀尔帖效应表示。

　　对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。

　　材料的帕尔贴效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔贴系数π表示

　　式中I-----流经导体的电流，A。

　　

  

　　

  

珀尔帖效应

　　类似的，对于P型半导体和N型半导体组成的电偶，其帕尔贴系数π。有与西伯克效应都是温差电效应，二者有密切联系。事实上，它们互为反效应，一个是说电偶中有温差存在时会产生电动势；一个是说电偶中有电流通过时会产生温差。温差电动势率与帕尔贴系数之间存在下述关系

　　式中T-----结点处的温度，K。

  

 

 

生活应用

　　帕尔帖效应发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半

  

TEC套件

导体的珀尔帖效应很弱。直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电子致冷元件——热电致冷器（ThermoElectriccooling，简称TEC）。

　　与风冷和水冷相比，半导体致冷片具有以下优势：（1）可以把温度降至室温以下；（2）精确温控（使用闭环温控电路，精度可达±0.1℃）；（3）高可靠性（致冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低）；（4）没有工作噪音。

 

 

TEC原理

　　TEC基本工作过程：当一块N型半导体和一块P型半导体结成电偶时，只要在这个电偶回路中接入一个直流电源，电偶上就会流过电流，发生能量转移，在一个接点上放热（或吸热），在另一个接点上相反地吸热（或放热）。

　　对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中

  

珀尔帖效应

运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。在TEC制冷片中，半导体通过金属导流片连接构成回路，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差。

　　帕尔帖模块也称作热泵（heatpumps），它既可以用于致热，也可以致冷。半导体致冷片就是一个热传递工具，只要热端（被冷却物体）的温度高于某温度，半导体制冷器便开始发挥作用，使得冷热两端的温度逐渐均衡，从而起到致冷作用。