Пельтье и двойной тепловой слой - Форум Picbasic.ru
Регистрация | Вход
[ Новые сообщения · Участники · Правила форума · Поиск · RSS ]
Страница 1 из 11
Модератор форума: brown 
Форум Picbasic.ru » Обо всем » Обо всем » Пельтье и двойной тепловой слой ((физика))
Пельтье и двойной тепловой слой
Меджикивис Дата: Пн, 21.11.2016, 21:00  |                                                                                                                Сообщение # 1
Группа: Пользователи
Ранг:  Новенький
Сообщений: 9
Репутация: 0   ±
Замечания:   ±
На сайте с 11.04.2016

Статус: Offline

О явлении Пельтье Вы конечно можете прочитать в Википедии, но чтоб дальнейший текст был понятнее, кратко напомню.
Электроны, находясь в различных металлах, имеют различную энергию. Когда постоянный ток проходит через контакт двух разных металлов, электроны переходят из одного металла в другой.
Если в этом другом металле они должны иметь больше энергии, а ее у них недостаточно, потому что они вышли из металла с меньшей энергией, то недостающую они забирают от атомов кристаллической решетки - в результате вещество охлаждается.
Если же ток имеет противоположное направление, и электроны переходят из металла с большей энергией в меньшую, то избыток энергии, который они имеют, они отдают опять же, атомам кристаллической решетки, и вещество нагревается.
Количество перенесенного тепла пропорционально количеству перешедших электронов, то есть перенесенному током заряду.
Этот эффект хорошо известен, называется эффектом Пельтье и используется в полупроводниковых охладителях.

Но теперь предлагаю чуть внимательнее присмотреться к тому, что происходит в месте контакта двух различных металлов.
В момент соприкосновения кусков, электроны начинают переходить из одного металла в другой до тех пор, пока возникающее электрическое поле не уравновесит различие их энергий. Так образуется контактная разность потенциалов. Это тоже хорошо известно.
Однако электроны не замирают после этого - они находятся в хаотичном тепловом движении и временно переходят то в один кусок, то в другой.
Поскольку их тепловое движение - и туда и обратно, то общий перенесенный заряд равен нулю, следовательно и перенесенное ими общее количество тепла тоже равно нулю.
Обыкновенно на этом рассмотрение и заканчивается.

Но я обратил внимание вот на что. Ведь в случае нагревания - нагревается один кусок, а в случае охлаждения - охлаждается другой. Следовательно, при непрерывном тепловом перемещении электронов из одного куска в другой и обратно, один металл должен все время нагреваться, а другой - все время охлаждаться.
Таким образом, в месте контакта разнородных металлов должна образовываться не только контактная разность потенциалов, но и контактная разность температур.
Вот об этом я еще не слыхал, чтоб кто-нибудь говорил.

Проблема заключается в том, что поскольку куски находятся в соприкосновении, их температуры будут, естественно, выравниваться. Вопрос: насколько тепло успеет перетечь от нагретого металла обратно к охлажденному, и какая разница температур между ними останется в результате?
Это зависит от того, насколько разнесены по разные стороны от места контакта зоны нагревания и охлаждения.

Известно, что электрон, вошедший в металл, имеет некоторую длину свободного пробега, в конце которого он сталкивается с атомом кристаллической решетки и отдает/получает энергию.
Обычно длина свободного пробега - порядка периода кристалической решетки, то есть исключительно мала. ясно, что все связанные с этим эффекты получаются настолько ничтожными, что их спокойно сбрасывают со счетов.

НО!

Существует чудесный металл, под названием Висмут; в нем свободный пробег электронов чрезвычайно велик, он достигает полутора микрон - гигантское расстояние по атомным меркам!
Вот это уже становится интересно.

Рассмотрим классическую пару: Bi - Sb (висмут - сурьма). Энергия электронов в висмуте гораздо больше, чем в сурьме. Таким образом, электроны, перешедшие из висмута в сурьму, вызовут ее нагревание. А электроны, перешедшие из сурьмы в висмут - вызовут его охлаждение. Однако не сразу около места контакта а на расстоянии полутора микрон в глубине куска висмута - где заканчивается их свободный пробег и происходит взаимодействие с кристаллической решеткой.
Мы видим, что по разные стороны от плоскости контакта оказываются тепловыделение в сурьме и теплопоглощение в висмуте. Эти области разнесены на расстояние 1.5мк друг от друга. Образуется двойной тепловой слой.

Остается последний вопрос: как велика получающаяся разность температур?
Ответить на него легко. Теплопроводность материалов известна. Коэффициенты Пельтье тоже секрета не представляют. Величину шумового тока можно посчитать по уравнению Найквиста.
Вот тут и засада... В уравнение Найквиста входит постоянная Больцмана, которая очень мала. Мои вычисления дали результат: контактная разность температур Bi-Sb при комнатных условиях - порядка семи миллионных градуса
smile
Понятно, что ни в ближайшее, ни даже в обозримое время, такую маленькую величину обнаружить в эксперименте вряд ли удастся.

НО!

В отличие от шумовых явлений, контактная разность температур зависит от материалов, то есть стабильна. А значит - может каскадироваться.
То есть, если сложить несколько контактов, то их разности температур в итоге просуммируются.
Это вселяет некоторые надежды)))
Контакт нужно выполнить в виде напыленной пленки сурьмы, а по ней - пленку висмута толщиной в полтора микрона (незачем толще: достаточна толщина свободного пробега, чтоб все вошедшие электроны провзаимодействовали).
И вот получается такой сэндвич:

Sb-Bi-Д-Sb-Bi-Д-...

где Д - любой диэлектрик: слой, предназначенный для теплового контакта между пленками Sb-Bi.

Если нанести на пластинку основы тысячу таких слоев, они составят общую толщину полтора-два миллиметра.
Сложить стопкой сто таких пластинок - и на концах этой стопки мы будем иметь разность температур около 0.7 градуса, что вполне измеримая величина...

Не знаю, когда и кто возьмется провести такой эксперимент? Может китайцы? Но они, боюсь, русскоязычные форумы не читают
smile

Спасибо за внимание,
Меджикивис ))
ЯНДЕКС Дата: 21.11.2016
Форум Picbasic.ru » Обо всем » Обо всем » Пельтье и двойной тепловой слой ((физика))
Страница 1 из 11
Поиск: