Efekt Peltiera

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Efekt Peltierazjawisko termoelektryczne w ciałach stałych, polegające na wydzielaniu lub pochłanianiu energii pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze.

W wyniku pochłaniania energii na jednym złączu i wydzielania energii na drugim, pomiędzy złączami powstaje różnica temperatur. Zjawisko jest odwrotne do efektu Seebecka, po raz pierwszy zostało zaobserwowane w 1834 roku przez Jeana Peltiera[1].

Efekt Peltiera zachodzi na granicy dwóch różnych przewodników lub półprzewodników (n i p) połączonych dwoma złączami (tzw. złącza Peltiera). Podczas przepływu prądu jedno ze złącz ulega ogrzaniu, a drugie ochłodzeniu. Ochłodzeniu ulega złącze, w którym elektrony przechodzą z przewodnika o niższym poziomie Fermiego do przewodnika o wyższym. Po zmianie kierunku przepływu prądu na przeciwny, zjawisko ulega odwróceniu (ze względu na symetrię złącz).

Peltier effect circuit.png

Ciepło pochłaniane przez "zimne" złącze i wydzielane w złączu "gorącym" jest opisywane równaniem:

gdzie:

AB - współczynnik Peltiera układu

Natura zjawiska Peltiera[edytuj]

Uproszczony model złącza metal-półprzewodnik. Oznaczenia: WFpoziom Fermiego, WC – położenie pasma przewodnictwa w półprzewodniku, ΔWK – średnia energia kinetyczna elektronów w paśmie przewodnictwa

Gdy do złącza przyłożone zostanie pole elektryczne (w zaznaczonym kierunku), to elektrony będą przechodziły z pasma przewodnictwa półprzewodnika do metalu, przy czym będą zmuszone w sąsiedztwie styku oddać zgromadzoną energię potencjalną o wartości ΔW (ΔW=Q=AB e). Energia ta to ciepło Peltiera, pochłaniane / wydzielające się w sąsiedztwie złącza podczas transportu przez nie ładunku równego jednemu elektronowi.

Jeżeli pole elektryczne E skierowane jest przeciwnie, to z metalu do półprzewodnika mogą przejść jedynie elektrony o odpowiednio wysokiej energii kinetycznej (tzw. gorące elektrony). Zubożenie obszaru przyległego do złącza w wysokoenergetyczne elektrony prowadzi do obniżenia średniej energii elektronów w paśmie, a w konsekwencji do obniżenia temperatury sieci krystalicznej, od której tę energię pobierają, dochodząc do równowagi termodynamicznej (okolica złącza ochładza się). Energia, wydzielana wynosi:

Energię kinetyczną elektronów można określić ze wzoru:

gdzie:

  • r – stała o wartości w zakresie 0- 2, w zależności od mechanizmu rozpraszania nośników ładunku,
  • k – stała Boltzmanna,
  • T – temperatura.

Przy określaniu wartości współczynnika Peltiera nie uwzględnia się roli metalu elektrody, ponieważ efekt Peltiera jest w przypadku półprzewodników wyższy o rząd wielkości niż w przypadku metali.

Przypisy

  1. "Encyklopedia fizyki" praca zbiorowa PWN 1973 t. 3

Zobacz też[edytuj]