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Efecto Peltier: el efecto mágico de la corriente eléctrica.
El comienzo del siglo XIX. La edad de oro de la física y la ingeniería eléctrica. En 1834, el relojero y naturalista francés Jean-Charles Peltier colocó una gota de agua entre los electrodos de bismuto y antimonio, y luego pasó una corriente eléctrica a través del circuito. Para su sorpresa, vio que la gota se había congelado de repente.
El efecto térmico de la corriente eléctrica en los conductores era conocido, pero el efecto contrario era similar a la magia. Puede comprender los sentimientos de Peltier: este fenómeno en la unión de dos áreas diferentes de la física, la termodinámica y la electricidad, causa una sensación de milagro en la actualidad.
El problema de enfriamiento no era tan grave como lo es hoy. Por lo tanto, el efecto Peltier se abordó solo después de casi dos siglos, cuando aparecieron los dispositivos electrónicos, para cuya operación se requerían sistemas de enfriamiento en miniatura. La virtud Elementos de enfriamiento Peltier son pequeñas dimensiones, la ausencia de partes móviles, la posibilidad de conexiones en cascada para obtener grandes diferencias de temperatura.
Además, el efecto Peltier es reversible: Cuando cambia la polaridad de la corriente a través del módulo, el enfriamiento se reemplaza por calentamiento, por lo que es fácil implementar sistemas de mantenimiento preciso de la temperatura: termostatos. La desventaja de los elementos (módulos) de Peltier es su baja eficiencia, que requiere la suma de grandes valores de corriente para obtener una diferencia de temperatura notable. La complejidad está representada por la eliminación de calor de la placa opuesta al plano enfriado.
Pero lo primero es lo primero. Primero, tratemos de considerar los procesos físicos responsables del fenómeno observado. Sin sumergirnos en el abismo de los cálculos matemáticos, trataremos de comprender la naturaleza de este interesante fenómeno físico en los "dedos".
Como estamos hablando de fenómenos de temperatura, los físicos, para la conveniencia de una descripción matemática, reemplazan las vibraciones de la red atómica de un material con un determinado gas que consiste, por así decirlo, en partículas, fonones.
La temperatura del gas fonón depende de la temperatura ambiente y de las propiedades del metal. Entonces, cualquier metal es una mezcla de gases de electrones y fonones en equilibrio termodinámico. Cuando dos metales diferentes entran en contacto en ausencia de un campo externo, un gas de electrones "más caliente" penetra en una zona "más fría", creando una diferencia de potencial de contacto conocida por todos.
Al aplicar la diferencia potencial a la transición, es decir A medida que la corriente fluye a través del límite de dos metales, los electrones toman energía de los fonones de un metal y la transfieren al gas fonón de otro. Con un cambio en la polaridad, la transferencia de energía, lo que significa que la calefacción y la refrigeración, cambian de signo.
En los semiconductores, los electrones y los agujeros son responsables de la transferencia de energía, pero se preserva el mecanismo de transferencia de calor y la aparición de una diferencia de temperatura. La diferencia de temperatura aumenta hasta que se agotan los electrones de alta energía. Se establece el equilibrio de temperatura. Esta es la imagen moderna de la descripción. Efecto Peltier.
Está claro de eso que Rendimiento del elemento Peltier depende de la selección de un par de materiales, la resistencia actual y la velocidad de eliminación del calor de la zona caliente. Para materiales modernos (generalmente semiconductores), la eficiencia es del 5-8%.
Y ahora sobre la aplicación práctica del efecto Peltier. Para aumentarlo, los termopares individuales (uniones de dos materiales diferentes) se ensamblan en grupos que consisten en decenas y cientos de elementos. El objetivo principal de tales módulos es el enfriamiento de pequeños objetos o microcircuitos.
Módulo de enfriamiento termoeléctrico
Los módulos basados en el efecto Peltier son ampliamente utilizados en dispositivos de visión nocturna con una matriz de receptores infrarrojos.Los microcircuitos acoplados a carga (CCD), que también se usan hoy en día en cámaras digitales, requieren un enfriamiento profundo para grabar imágenes en la región infrarroja. Los módulos Peltier enfrían detectores infrarrojos en telescopios, elementos láser activos para estabilizar la frecuencia de radiación, osciladores de cristal en sistemas de tiempo exactos. Pero todas estas son aplicaciones militares y especiales.
Recientemente, los módulos Peltier han encontrado aplicación en productos para el hogar. Principalmente en tecnología automotriz: aires acondicionados, refrigeradores portátiles, enfriadores de agua.
Un ejemplo del uso práctico del efecto Peltier.
La aplicación de módulos más interesante y prometedora es la tecnología informática. Los microprocesadores, procesadores y chips de tarjetas de video de alto rendimiento emiten mucho calor. Para enfriarlos, se utilizan ventiladores de alta velocidad, que crean un ruido acústico significativo. El uso de módulos Peltier como parte de los sistemas combinados de enfriamiento elimina el ruido con una eliminación significativa del calor.
Compacto USBrefrigerador usando módulos Peltier
Y, finalmente, una pregunta lógica: ¿reemplazarán los módulos Peltier los sistemas de enfriamiento convencionales en los refrigeradores domésticos de compresión? Hoy no es rentable en términos de eficiencia (baja eficiencia) y precio. El costo de los módulos potentes sigue siendo bastante alto.
Pero la tecnología y la ciencia de los materiales no se detienen. Es imposible excluir la posibilidad de la aparición de materiales nuevos y más baratos con alta eficiencia y un alto coeficiente de Peltier. Hoy en día hay informes de laboratorios de investigación sobre las increíbles propiedades de los materiales de nanocarbono que pueden cambiar radicalmente la situación con sistemas de enfriamiento eficientes.
Hubo informes de alta figura termoeléctrica de mérito de los clastrados: soluciones sólidas similares en estructura a los hidratos. Cuando estos materiales abandonen los laboratorios de investigación, los refrigeradores completamente silenciosos con una vida útil ilimitada reemplazarán a nuestros modelos habituales de hogar.
P.S. Unooh oh de los más interesante características tecnología termoeléctrica es eso ella es puede no solo para usar energia electrica para calentar y enfriar, pero también gracias a ella puedepero comience el proceso inverso y, por ejemplo, obtenga energía eléctrica del calor.
Un ejemplo de cómo puedes obtener electricidad del calor con utilizando el módulo termoeléctrico (generador termoeléctrico) mira esto video:
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