Termoelektriska effekter: Peltier-celler, Seebeck- och Bimetallexpansionseffekten

• Nyckelpunkter:

• Översikt av Peltier-celler:
  • En Peltier-cell är en platt komponent som kan generera en temperaturgradient när en spänning appliceras.
  • Den kan sänka temperaturen på ena sidan samtidigt som den ökar temperaturen på den motsatta sidan.
  • Peltier-celler används som kylsystem eller som enheter för att generera energi genom att omvända processen.
• Termoelektriska effekter:
  • Inkluderar Seebeck-effekten, Peltier-effekten, Thompson-effekten och termoelektriska effekter.
  • Seebeck-effekten: Temperaturgradient mellan två material genererar en spänning.
  • Peltier-effekten: Spänning applicerad mellan material skapar en temperaturgradient.
  • Thompson-effekten: Temperaturförändring i en ledare med ström som passerar igenom den.
  • Termoelektriska effekter omfattar alla dessa fenomen.
• Seebeck-effekten (1821):
  • Upptäcktes av den tyska fysikern Thomas Johann Seebeck år 1821.
    • Seebeck observerade att en elektrisk spänning genererades när två olika metaller utsattes för en temperaturgradient.
    • Fenomenet är känt som Seebeck-effekten.
  • Variation i kompassens riktning observerades när värmekälla applicerades på metallplattor.
  • Initialt trodde man att det berodde på metallpolarisering, men senare relaterades det till effekter av elektrisk ström.
• Rörelse av elektrisk laddning:
  • Ledande material tillåter rörelse av laddningsbärare (elektroner).
  • Olika material som är anslutna genererar en potentialskillnad och elektrisk ström.
  • Temperaturgradient ökar potentialskillnaden och genererar elektrisk ström.
• Termoelement:
  • Enheter som mäter temperatur genom den spänning som genereras på grund av Seebeck-effekten.
  • Vanligt förekommande i olika tillämpningar för temperaturkontroll.
  • Egenskaper inkluderar känslighet för temperatur, temperaturintervall och precision.
• Peltier-effekten:
  • Motparten till Seebeck-effekten.
  • Passage av ström genom metaller får en ände att öka och den andra att minska i temperatur.
  • Involverar värmeöverföring och omvandling, vilket tilsynelatande bryter mot energibevarelsens lagar tills värme beaktas.
• Konstruktion av Peltier-celler:
  • Består av n-typ och p-typ halvledare samt metallplattor.
  • Applicering av potentialskillnad skapar temperaturgradient.
  • Värmeöverföring sker vid övergångarna mellan materialen.
    • För tillverkning av P-typ och N-typ termoelektriska material behövs följande råmaterial:
    • Bismut (Bi) och Tellur (Te): Grundläggande för bismuttellurid (Bi2Te3) och dess legeringar.
    • Selen (Se) och Antimon (Sb): Används för att dopa material och uppnå N-typ (Bi2Te3-xSex) respektive P-typ (Bi2-xSbxTe3) termoelektriska egenskaper.
    • För att utforska detaljerad information om råmaterialen för tillverkning av P-typ och N-typ termoelektriska material, som beskrivs i den vetenskapliga artikeln publicerad på MDPI, kan du besöka den angivna länken: MDPI Article. Denna källa innehåller omfattande information om ämnet.
    • Läs “Konstruera en Peltier-cell”
• Fördelar med Peltier-celler:
  • Högre koefficienter (Effektivitet) jämfört med andra material.
  • Effektiva för att generera termiska gradienter eller elektricitet.
  • Kompakt design på grund av halvledaregenskaper.
  • Kan användas i rymdresor och andra specifika tillämpningar.

• Frågor:

• Vilken effekt ligger till grund för att en Peltier-cell kan generera en temperaturgradient när en spänning appliceras?
  • Svar: Peltiereffekten.
• Vad är syftet med att använda olika metaller och halvledare i en Peltier-cell?
  • Svar: För att skapa en temperaturgradient och möjliggöra värmeöverföring vid övergångarna mellan materialen.
• Vad är termoelektriska effekter, och vilka är de tre huvudsakliga typerna som nämdes?
  • Svar: Termoelektriska effekter är fenomen där temperaturgradienter genererar elektriska fenomen. De tre huvudsakliga typerna är Seebeck-effekten, Peltiereffekten och Thompson-effekten.
• Hur kan en termoelektrisk generator användas för att mäta temperatur?
  • Svar: Genom att mäta den spänning som genereras när en temperaturgradient appliceras på en termoelektrisk cell, och sedan använda Seebeck-koefficienten för att konvertera spänningen till temperatur.
• Vilka är fördelarna med att använda Peltier-celler jämfört med andra kylmetoder?
  • Svar: Fördelarna inkluderar högre effektivitet, kompakta designmöjligheter på grund av halvledaregenskaper och möjlighet att användas i specifika tillämpningar som rymdresor.

• Kreativa Uppmaningar:

• Designa ett experiment för att undersöka effekten av olika metaller på Peltier-celleffekten.
  • Använd olika metaller för att konstruera små Peltier-celler.
  • Applicera en spänning på varje cell och mät temperaturgradienten över varje metall.
  • Observera och jämför hur olika metaller påverkar effektiviteten hos Peltier-effekten.
  • Jag rekommenderar eleverna att använda olika metaller som koppar, aluminium och järn för att bygga små Peltier-celler. Sedan kan vi mäta temperaturen över varje metall när vi applicerar en spänning för att se vilken som ger bäst effekt.
• Skapa en modell av en termoelektrisk generator och förklara dess funktion för klassen.
  • Använd hushållsmaterial som papper, ledningar och små magneter för att skapa en modell.
  • Demonstrera hur temperaturen påverkar elektrisk ström och vice versa.
  • Förklara de olika komponenterna och deras roll i att generera elektricitet från temperaturgradienter.
  • Jag försökte skapa en modell av en termoelektrisk generator med papper, ledningar och små magneter. Genom att demonstrera hur temperaturförändringar påverkar elektrisk ström kunde jag förklara principerna bakom dess funktion för min klass.
• Utforska potentialen hos termoelektriska material för energigenerering i vardagen.
  • Undersök olika material som kan användas för att skapa termoelektriska celler.
  • Tänk på hur dessa celler kan integreras i vardagliga föremål för att generera elektricitet, t.ex. i kläder eller bärbara enheter.
  • Designa och presentera en prototyp av en innovativ produkt som använder termoelektriska material för energigenerering.
  • Jag utforskade olika material som bismuttellurid och vismut-tellurid för att skapa termoelektriska celler. Sedan designade jag en prototyp av en jacka som genererar elektricitet från kroppsvärmen för att ladda bärbara enheter.
• Analysera och jämför effektiviteten hos Peltier-celler med andra kylmetoder.
  • Forska om olika kylmetoder som kompressorbaserade kylsystem och vätskekylning.
  • Jämför fördelar och nackdelar med varje metod, inklusive energiförbrukning, storlek och komplexitet.
  • Presentera dina slutsatser och rekommendationer för olika tillämpningar baserat på deras specifika egenskaper.
  • Jag analyserade effektiviteten hos Peltier-celler jämfört med kompressorbaserade kylsystem och vätskekylning. Jag fann att Peltier-celler är kompakta och har inga rörliga delar, vilket gör dem lämpliga för vissa tillämpningar trots deras lägre effektivitet.
• Utforska potentialen hos termoelektriska material för att förbättra energieffektiviteten i byggnader.
  • Forska om hur termoelektriska material kan användas för att utnyttja temperaturgradienter i byggnader.
  • Designa ett system som integrerar termoelektriska celler i byggnadsstrukturen för att generera elektricitet från temperaturskillnader.
  • Utvärdera potentialen hos detta system för att minska energiförbrukningen och förbättra byggnadens hållbarhet.
  • Jag undersökte hur termoelektriska material kan integreras i byggnader för att generera elektricitet från temperaturgradienter. Genom att designa ett system som utnyttjar dessa material kunde jag visa på potentialen för att minska energiförbrukningen och förbättra byggnadens hållbarhet.

• Designa och genomför ditt eget experiment för att undersöka hur olika vätskor påverkar effektiviteten hos en termoelektrisk generator.
  • Välj olika vätskor med olika värmekapacitet och värm dem upp.
  • Använd en termoelektrisk generator för att mäta den genererade spänningen från varje vätska.
  • Analysera resultaten för att se vilken vätska som är mest effektiv för att generera elektricitet från temperaturdifferenser.
  • Jag bestämde mig för att testa hur olika vätskor påverkar en termoelektrisk generator genom att värma upp vatten, olja och vin. Genom att mäta den genererade spänningen från varje vätska kunde jag se att vattnet gav högst effektivitet, vilket förmodligen berodde på dess högre värmeledningsförmåga.
• Skapa en prototyp av en termoelektrisk generator för att generera elektricitet från en annan källa än värme, t.ex. från solstrålning eller kroppsvärme.
  • Utforma och bygg en termoelektrisk generator med lämpliga material och komponenter.
  • Använd olika källor för att generera värme och observera hur det påverkar den genererade elektriciteten.
  • Presentera din prototyp för klassen och diskutera dess potential för praktiska tillämpningar.
  • Jag försökte skapa en termoelektrisk generator som kan generera elektricitet från solstrålning genom att använda solceller för att värma en av termoelektriska cellerna. Resultaten var lovande och visade på potentialen för att utnyttja solenergi för att driva elektriska enheter.
• Utforska hur olika material och konstruktioner påverkar effektiviteten hos en termoelektrisk generator.
  • Välj olika material för termoelektriska celler och konstruera flera generatorer.
  • Testa olika konstruktioner och observera hur de påverkar den genererade spänningen och effektiviteten.
  • Analysera resultaten för att identifiera optimala material och design för termoelektriska generatorer.
  • Genom att testa olika material och konstruktioner för termoelektriska generatorer fann jag att kopparbaserade celler gav högre spänning än aluminiumbaserade celler. Dessutom var en kompakt konstruktion mer effektiv än en mer spridd design.
• Använd principerna bakom Seebeck-effekten för att designa en innovativ produkt eller enhet som utnyttjar temperaturdifferenser för att generera elektricitet.
  • Brainstorma idéer för produkter eller enheter som kan dra nytta av termoelektriska generatorer.
  • Välj en idé och utforma en prototyp eller konceptskiss för din innovativa produkt.
  • Presentera din design och förklara hur den använder Seebeck-effekten för att generera elektricitet i vardagliga situationer.
  • Jag designade en bärbar laddare som använder kroppsvärme för att generera elektricitet med hjälp av termoelektriska generatorer. Prototypen visade sig vara lovande och kan vara användbar för att ladda små enheter som smartphones eller smartklockor.
• Utforska potentiella tillämpningar av termoelektriska generatorer i miljövänliga energisystem eller hållbara teknologier.
  • Forska om olika miljövänliga energikällor och identifiera möjligheter att integrera termoelektriska generatorer för att förbättra energiutvinning och effektivitet.
  • Designa ett koncept för ett hållbart energisystem som inkluderar termoelektriska generatorer och andra förnybara energikällor.
  • Presentera ditt koncept och diskutera dess potential för att bidra till en mer hållbar framtid.
  • Jag utforskade potentialen för att integrera termoelektriska generatorer i vindkraftverk för att utnyttja temperaturdifferenser mellan marken och atmosfären. Detta skulle kunna bidra till att öka energiutvinningen och effektiviteten hos vindkraftsystem och minska deras beroende av väderförhållanden.

• Quiz

• Seebeck-effekten

Vad observerade Seebeck år 1821 när han utförde sitt experiment med två metallplattor och en kompass mellan dem?

• A. Kompassens nål vände sig i en viss riktning när en värmekälla applicerades på ena änden av metallplattorna.
• B. Kompassens riktning ändrades när en temperaturgradient skapades mellan de två metallerna.
• C. Metallplattorna började generera elektricitet när de utsattes för höga temperaturer.
• D. Metallplattorna avger ljud när de värms upp eller kyls ner.
• Förklaring: Seebeck upptäckte att kompassens riktning ändrades när en temperaturgradient skapades mellan de två metallerna, vilket indikerade att en elektrisk potential genererades.

Varför var Seebecks initiala förklaring till fenomenet felaktig?

• A. Han trodde att kompassen var magnetiserad av värme.
• B. Han antog att elektronerna skapade en direkt magnetisk effekt.
• C. Hans teori stöddes inte av Hans Christian Ørstedts experiment från 1820.
• D. Han kunde inte mäta tillräcklig spänning för att bekräfta sin teori.
• Förklaring: Seebecks initiala förklaring att värmen skapade en direkt magnetisk effekt var felaktig och motsägs av Hans Christian Ørsteds experiment från 1820.

• Peltiereffekten

Vilken effekt är motsatt till Peltiereffekten?

• A. Seebeck-effekten
• B. Thomson-effekten
• C. Joule-effekten
• D. Bimetallexpansionseffekten
• Förklaring: Bimetallexpansionseffekten är motsatt till Peltiereffekten och används för att skapa temperaturkontrollsystem baserade på termisk expansion.

Vad är det primära problemet som uppstår när man försöker använda Peltierelement för att kyla ner en komponent?

• A. För liten temperaturgradient mellan de två ändarna av elementet.
• B. Svårigheter att reglera den interna temperaturen hos elementet.
• C. Ökning av värme som genereras av Joule-effekten.
• D. Behovet av en värmesänka för att avlägsna överskottsvärme från den heta sidan av elementet.
• Förklaring: En värmesänka behövs för att avlägsna överskottsvärme från den heta sidan av ett Peltierelement för att effektivt kyla ner en komponent.

• Användning av Peltierelement

Vilken är en av de huvudsakliga fördelarna med att använda Peltierelement för kylning jämfört med andra metoder?

• A. Avsaknad av rörliga delar, vilket minskar risken för fel.
• B. Möjligheten att skapa mycket stora temperaturgradienter.
• C. Låg kostnad för tillverkning och underhåll av Peltierelement.
• D. Bättre effektivitet vid kylning av mycket stora system.
• Förklaring: En av huvudfördelarna med att använda Peltierelement för kylning är frånvaron av rörliga delar, vilket minskar risken för fel och gör dem mer tillförlitliga.

Varför används Peltierelement i vissa rymdfarkoster, som Voyager 1 och Voyager 2?

• A. För att generera elektricitet från solenergi.
• B. För att skapa ett magnetfält för rymdforskning.
• C. För att effektivt kyla ner elektronik och andra känsliga komponenter.
• D. För att utnyttja temperaturdifferensen mellan rymden och en radioaktiv källa för att generera elektricitet.
• Förklaring: Peltierelement används i vissa rymdfarkoster för att utnyttja temperaturdifferensen mellan rymden och en radioaktiv källa för att generera elektricitet i radioisotopiska termoelektriska generatorer.

• Bimetallexpansionseffekten

Vilken av följande påståenden beskriver bäst bimetallexpansionseffekten?

• A. Genererar en elektrisk potential när två metaller med olika termiska egenskaper är ihopkopplade.
• B. Skapar en temperaturgradient när en ström appliceras på ett par metaller i kontakt.
• C. Orsakar en böjning i ett set av metallplattor när de värms upp på grund av deras olika termiska expansionskoefficienter.
• D. Används för att skapa en magnetisk effekt genom att applicera värme på en metallspiral.
• Förklaring: Bimetallexpansionseffekten orsakar en böjning i ett set av metallplattor när de värms upp på grund av deras olika termiska expansionskoefficienter.

Vilken är en vanlig tillämpning av bimetallexpansionseffekten?

• A. Att generera elektricitet i termoelektriska generatorer.
• B. Att reglera temperaturen i termostatkontrollerade enheter.
• C. Att förstärka elektromagnetiska fält i industriella applikationer.
• D. Att effektivt kyla elektronikkomponenter i rymdfarkoster.
• Förklaring: En vanlig tillämpning av bimetallexpansionseffekten är att reglera temperaturen i termostatkontrollerade enheter, såsom ugnar eller kylskåp.

• Peltiereffekten 

Vilken av följande påståenden beskriver bäst Peltiereffekten?

• A. Skapar en temperaturgradient när två metaller med olika termiska egenskaper är ihopkopplade.
• B. Orsakar en böjning i ett set av metallplattor när de värms upp på grund av deras olika termiska expansionskoefficienter.
• C. Genererar en temperaturgradient när en ström appliceras på ett par metaller i kontakt.
• D. Används för att skapa en magnetisk effekt genom att applicera värme på en metallspiral.
• Förklaring: Peltiereffekten genererar en temperaturgradient när en ström appliceras på ett par metaller i kontakt, vilket leder till att ena änden av dem värms upp medan den andra kyls ner.

• Här finns information om högkapacitets Peltier-element (termoelektriska kylare) från flera tillverkare som erbjuder ett spektrum av effektkapaciteter och specifikationer lämpliga för olika tillämpningar:

• FERROTEC ERBJUDER:

  • En bred urval av högeffektiva Peltier termoelektriska kylmoduler designade för att maximera värme pumpningskapaciteten.
  • Deras enstegs TEC:er möjliggör ökade kylkapaciteter och effektiviteter i standardfotavtryck för termoelektriska kylare.
  • Moduler med maximal ström från 6A till 60A, en maximal temperaturdifferens (ΔT Max) på upp till 83°C, och maximal värmepumpkapacitet (Qc Max) som sträcker sig från 108W till 289W​​​​.

• TENGDA ELECTRONICS PRODUCERAR:

  • Högpresterande Peltier-moduler med effekter från 5W till 1000W eller mer och temperaturdifferentialer på upp till 70°C.
  • Modulerna är utformade för hög motståndskraft mot termisk chock, fukt och korrosion.
  • De erbjuder anpassningar för att modifiera standard Peltier-moduler eller designa helt skräddarsydda moduler för att möta specifika kraft- och värmekrav​​.
• Dessa företag betjänar ett brett spektrum av industrier, inklusive medicinska och laboratorieutrustningar, industriella lasrar, elektronikhöljen och konsumentprodukter, och tillhandahåller precisionstemperaturkontrollösningar som utnyttjar Peltier-teknik.