簡介概要
1834年法國科學家珀爾貼發現了熱電致冷和致熱現象-即溫差電效應。由N、P型材料組成一對熱電偶, 當熱電偶通入直流電流後,因直流電通入的方向不同, 將在電偶結點處產生吸熱和放熱現象,稱這種現象為珀爾帖效應。對帕爾帖效應的物理解釋是:電荷載體在導體中運動形成電流。由於電荷載體在不同的材料中處於不同的能級,當它從高能級向低能級運動時,便釋放出多餘的能量;相反,從低能級向高能級運動時,從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。
半導體致冷器, 也叫熱電致冷器或溫差致冷器。就採用了珀爾帖效應。
發現過程
珀爾帖現象最早是在1821年,由一位德國科學家Thomas Seeback首先發現,不過他當時做了錯誤的推論,並沒有領悟到背後真正的科學原理。到了1834年,一位法國表匠,同時也是兼職研究這現象的物理學家珀爾帖,才發現背後真正的原因,珀爾帖發現這樣一種現象:用兩塊不同的導體聯接成電偶,並接上直流電源,當電偶上流過電流時,會發生能量轉移現象,一個接頭處放出熱量變熱,另一個接頭處吸收熱量變冷,這種現象稱作珀爾帖效應。這個現象直到近代隨著半導體的發展才有了實際的套用,也就是[致冷器]的發明(注意,這種叫致冷器,還不叫半導體致冷器)。發現者
帕爾帖效應是法國科學家珀爾帖於1834年發現的,所以,一提到帕爾帖的名字,人們很容易將他與帕爾帖效應聯繫起來,並誤以為他是一個物理學家,實際上他至多算個業餘的物理學家。帕爾帖生於法國索姆,他本來是一個鐘錶匠,30歲那年放棄了這個職業,轉而投身到實驗與科學觀測領域之中。在他撰寫的大量論文中,絕大部分都是關於自然現象的觀測,譬如天電、龍捲風、天空藍度測量與光偏振、球體水溫、極地沸點等,也有少量博物學方面的論文。
1837年,俄國物理學家愣次(Lenz,1804~1865)發現,電流的方向決定了吸收還是產生熱量,發熱(製冷)量的多少與電流的大小成正比,比例係數稱為“帕爾帖係數”。
Q=л·I=a·Tc·I,其中л=a·Tc
式中:Q——放熱或吸熱功率
π——比例係數,稱為珀爾帖係數
I——工作電流
a——溫差電動勢率
Tc——冷接點溫度
物理原理
電流流過兩種不同導體的界面時,將從外界吸收熱量,或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應。由帕爾帖效應產生的熱流量稱作帕爾帖熱,用符號表示。對帕爾帖效應的物理解釋是:電荷載體在導體中運動形成電流。由於電荷載體在不同的材料中處於不同的能級,當它從高能級向低能級運動時,便釋放出多餘的能量;相反,從低能級向高能級運動時,從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。
式中I-----流經導體的電流,A。
類似的,對於P型半導體和N型半導體組成的電偶,其帕爾貼係數π。有
帕爾貼效應與西伯克效應都是溫差電效應,二者有密切聯繫。事實上,它們互為反效應,一個是說電偶中有溫差存在時會產生電動勢;一個是說電偶中有電流通過時會產生溫差。溫差電動勢率與帕爾貼係數之間存在下述關係
式中T-----結點處的溫度,K。
實驗儀器
實用新型屬於物理學用的教學儀器。它選用N型半導體和P型半導體組成多個電偶對。當直流電流進N—P型電偶對時,電偶對右端吸熱,形成冷端,連線一透明冷室;左端放熱,形成熱端,連線一散熱水箱。配以溫度計、毫伏表、可演示珀爾帖效應、賽貝克效應,具有方便、直觀、效果明顯的優點。作為冷源演示熱學現象,是一種不需冷媒的,方便、直觀、清潔、無毒害的教學冷源。
其特徵是選用N型半導體和P型半導體形成多個電偶對,組成冷板,當直流電流進N—P型電偶對時,電偶對右端吸熱,形成冷端,連線一透明冷室,電偶對左端放熱,形成熱端,連線一散熱水箱。
生活套用
帕爾帖效應發現100多年來並未獲得實際套用,因為金屬半導體的珀爾帖效應很弱。直到上世紀90年代,原蘇聯科學家約飛的研究表明,以碲化鉍為基的化合物是最好的熱電半導體材料,從而出現了實用的半導體電子致冷元件——熱電致冷器(ThermoElectriccooling,簡稱TEC)。與風冷和水冷相比,半導體致冷片具有以下優勢:(1)可以把溫度降至室溫以下;(2)精確溫控(使用閉環溫控電路,精度可達±0.1℃);(3)高可靠性(致冷組件為固體器件,無運動部件,壽命超過20萬小時,失效率低);(4)沒有工作噪音。
TEC原理
TEC基本工作過程:當一塊N型半導體和一塊P型半導體結成電偶時,只要在這個電偶迴路中接入一個直流電源,電偶上就會流過電流,發生能量轉移,在一個接點上放熱(或吸熱),在另一個接點上相反地吸熱(或放熱)。
對帕爾帖效應的物理解釋是:電荷載體在導體中運動形成電流。由於電荷載體在不同的材料中處於不同的能級,當它從高能級向低能級運動時,便釋放出多餘的能量;相反,從低能級向高能級運動時,從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。在TEC製冷片中,半導體通過金屬導流片連線構成迴路,當電流由N通過P時,電場使N中的電子和P中的空穴反向流動,他們產生的能量來自晶格的熱能,於是在導流片上吸熱,而在另一端放熱,產生溫差。帕爾帖模組也稱作熱泵(heatpumps),它既可以用於致熱,也可以致冷。半導體致冷片就是一個熱傳遞工具,只要熱端(被冷卻物體)的溫度高於某溫度,半導體製冷器便開始發揮作用,使得冷熱兩端的溫度逐漸均衡,從而起到致冷作用。