اثر پلتیه چیست؟ سلول پلتیر، کاربردهای آن

ژان چارلز پلتیه فیزیکدان فرانسوی در سال 1834 در حین انجام تحقیقات خود در مورد الکتریسیته، اثر ترموالکتریک را کشف کرد. اثر پلتیه شامل عبور جریان از مداری است که از مواد مختلف تشکیل شده است. محل اتصال آن در همان دما است و اثر معکوس Seebeck (اثر ترموالکتریک) را ایجاد می کند.در این حالت یک اتصال گرما را جذب می کند و اتصال دیگر گرما را از طرف دیگر آزاد می کند. قسمتی که سرد می شود معمولاً حدود 10 درجه سانتیگراد است. در عین حال، بخشی که گرما را جذب می کند می تواند به سرعت به 80 درجه سانتیگراد برسد.
یک واقعیت جالب این است که با معکوس کردن قطبیت منبع تغذیه، امکان معکوس کردن روند وجود دارد. در نتیجه، سطحی که قبلاً سرما ایجاد کرده بود شروع به تولید گرما می کند. همچنین سطوحی که گرما تولید می کنند شروع به تولید سرما می کنند.
تاکنون این پدیده جالب به چند کاربرد کوچک تقلیل یافته است.

اثر Seebeck

اثر Seebeck تبدیل گرما به طور مستقیم به پتانسیل الکتریکی در محل اتصال دو فلز ناهمسان رسانا است. این نام به افتخار فیزیکدان آلمانی توماس یوهان سیبک گرفته شد.همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، دو هادی A و B از فلزات مختلف وجود دارد. ما دمای محل اتصال A را به عنوان دمای مرجع در نظر می گیریم. محل اتصال مرجع در دمای نسبتاً خنک Tc حفظ می شود. دمای محل اتصال در B بالاتر از دمای Tc است. با گرم کردن اتصال B، یک اختلاف پتانسیل (Eout) بین نقاط پایانی T1 و T2 ایجاد می شود. بنابراین، اختلاف دما باعث می شود جریان الکتریکی به طور مداوم در این مدار بسته جریان یابد. پتانسیل توسعه یافته در سراسر اتصال به عنوان EMF Seebeck شناخته می شود.
می توانیم آن را به این صورت بیان کنیم؛
E out = α (Th – T c )

اثر پلتیه

اثر پلتیه برعکس پدیده ترموالکتریک اثر Seebeck است. در این حالت، هنگامی که جریان الکتریکی در مدار بسته جریان می یابد، یک اتصال از دو فلز غیرمشابه انرژی گرمایی را در یک اتصال جذب می کند و همان انرژی را در اتصال دیگر تخلیه می کند.
با اعمال ولتاژ بین پایانه های T1 و T2، جریان الکتریکی (I) در مدار جریان می یابد. در نتیجه جریان، یک اثر خنک کننده خفیف در محل اتصال Qc و یک اثر گرمایش خفیف در اتصال Qh رخ می دهد. فرآیند معکوس با تغییر جهت جریان اتفاق می افتد.
اگر Q C سرعت خنک شدن بر حسب وات و Q h نرخ گرمایش بر حسب وات باشد، I جریانی است که از مدار بسته می گذرد.
میزان سرمایش است
Q C = β x I
که در آن β ضریب دیفرانسیل پلتیه بین دو ماده A و B بر حسب ولت است.

اثر پلتیر و سلول های پلتیه

درک اثر پلتیه از طریق سلول های پلتیه امکان پذیر است. هنگامی که سلول پلتیه توان الکتریکی را دریافت می کند، اختلاف دما بین دو وجه سلول ایجاد می شود. این اختلاف دما به دمای محیطی که سلول PELTIER در آن قرار دارد بستگی دارد. همچنین بستگی به بدنه دارد که بخواهیم خنک یا گرم کنیم.
استفاده از آن بیشتر برای خنک کردن است زیرا برای گرمایش مقاومت های الکتریکی وجود دارد که در این کار بسیار کارآمدتر از سلول های Peltier هستند. اینها در خنک سازی بسیار موثرتر هستند زیرا اندازه کوچک آنها را برای جایگزینی تجهیزات خنک کننده گران قیمت و بزرگ با کمک گاز یا آب ایده آل می کند.

کاربرد سلول های پلتیه

کاربردهای عملی این سلول ها بی پایان است. سلول‌های پلتیه کاربرد گسترده‌ای در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند رایانه‌ها، یخچال‌های فشرده و ماهواره‌ها پیدا می‌کنند. ما از سلول‌های پلتیه در فضاپیما برای غلبه بر اثر نور خورشید در یک طرف فضاپیما با پراکنده کردن گرما در سمت سرد سایه‌دار که در spectrometers استفاده می‌شود، استفاده می‌کنیم.
این لیست می تواند بی پایان باشد زیرا برنامه های کاربردی زیادی وجود دارد که در آنها استفاده همزمان از سرما و گرما ضروری است. سلول پلتیر عملاً از دو ماده نیمه هادی تشکیل شده است که یکی با کانال N و دیگری دارای کانال P است. یک فویل کوپر هر دو کانال N و کانال P را به هم متصل می کند.

هنگامی که طرف ماده N منبع مثبت و طرف ماده P منبع منفی دریافت می کند، صفحه مسی بالایی خنک می شود، در حالی که قسمت پایینی گرم می شود.
اگر در همین سلول، اگر قطبیت عرضه را معکوس کنیم، یعنی طرف ماده N عرضه منفی و طرف ماده P عرضه مثبت دریافت می کند. سپس قسمت بالایی گرم می شود و قسمت پایینی خنک می شود.

مزایای سلول های پلتیر

با توجه به پیشرفت های بسیار زیاد در زمینه نیمه هادی ها، امروزه آنها به شکلی محکم و به اندازه یک سکه ساخته می شوند. سلول های پلتیر از نیمه هادی هایی مانند تلوریوم و بیسموت تا نوع P یا N (رسانای خوب الکتریسیته و بد گرما) ساخته شده اند. این امر انتقال گرما را از سمت سرد به سمت گرم توسط اثر جریان مستقیم تسهیل می کند.
• از آنجایی که سلول های Peltier قطعات متحرک ندارند، نیاز به فرکانس نگهداری کمتر است.
• سلول‌های پلتیر کلروفلوئوروکربن (CFC) منتشر نمی‌کنند.
• کنترل دما را می توان در کسری از درجه حفظ کرد.
• فرم انعطاف پذیر، به ویژه، می تواند در اندازه بسیار کوچک باشد.
• می تواند در محیط های کوچکتر یا خشن تر از خنک کننده های معمولی استفاده شود.
• عمر طولانی، با میانگین زمان بین خرابی بیش از 100000 ساعت.
• با تغییر ولتاژ/جریان ورودی قابل کنترل است

معایب سلول های پلتیه

واحدهای پلتیر نیز دارای معایبی هستند که باید در نظر گرفته شوند. مانند
• مصرف برق بالا بسته به دما و رطوبت.
• تراکم ممکن است رخ دهد و تحت شرایط خاص، حتی احتمال تشکیل یخ نیز وجود دارد.
• محدودیت اتلاف گرما وجود دارد.
• آنها برای سیستم های تولید حرارت بالا مناسب نیستند.
• خطرات سوختگی
• خطر تماس مستقیم الکتریکی
• گرمای تولید شده توسط سلول، اگر دفع نشود، ممکن است به سلول آسیب برساند.