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2008-5-28

说说帕耳帖效应

归档于: 基础科学, 数理科学 @ 10:43 pm

下午和同实验室的同学聊天,无意间聊到了饮水机如何制冷的问题。要说也是,这东西一来价钱不算太贵,二来耗电也不算太大,不大可能是用压缩机,那么是用什么方式让水降温?于是google之,赫然发现用的是半导体制冷,原理就是所谓的帕耳帖效应。敢情这东西跟业余天文用CCD的制冷是一个道理,于是连忙去翻实测天体物理的讲义……

帕耳帖效应其实是诸多热电效应的一种,算是Seebeck效应(也就是温差电效应)的逆过程。Seebeck效应是在两种导电材料的接合处通过温差来产生电压,帕耳帖效应就是让施加有电压的两种导电材料产生温差。具体计算也很简单,如下式所示:

其中是产热率,I是电流,指两种导体的帕耳帖系数,物理意义是单位电流在某种材料中携带的热流数量。由于两种材料连接处电流连续而帕耳帖系数不连续,此处就会有热量的积累或是损失。通过改变电流的方向,就可以决定让设备产热或是制冷。

其实帕耳帖效应的发现不算晚,是在1834年。当年的发现者John-Charles-Athanase Peltier用的是铜线与铋线组成热电耦,不过现在出于效率的考虑,一般还是选择半导体材料,一端连接P型半导体,一端连N型,如今在小电器里用得遍地开花的应该就是它了。通常前者的帕耳帖系数为正,后者为负,这样就可以保证相对系数较大,增大热流进而是增大所产生的温差。

John-Charles-Athanase Peltier

帕耳帖效应发现者、法国自然科学爱好者Peltier(1785 - 1845)。

Thermal Electric Couple

半导体热电耦示意。

该效应的物理解释?可参考下图,电流可以归为电子的运动。在不同的导电材料中,电子所处能级并不相同。若从低能级运动至高能级,就需要将部分动能转化为势能,速度降低。微观运动速度是温度的表征,表现在宏观上,就是温度的下降。反之则是温度升高。在下图中,红绿色区域分别表示不同的材料,电子在绿色部分能级较低,红色部分能级高,因此电流从绿色流至红色时,在接合处就是降温区(上),由红至绿的接合点则为升温区(下)。至于Seebeck效应与帕耳帖效应的关系,其实就是帕耳帖系数等于Seebeck效应中温差与温差电动势的乘积。

对于天文CCD应用,号称是将多个热电耦组成热电堆,多堆合用可以做到摄氏零下70余度。当然这纯粹是掉书袋地一说,照搬实测天体物理学讲义的说法,不清楚实际情况如何,至少对于本人曾经使用过的SBIG ST7型CCD来说,最低是降到过零下20度上下,应付教学足矣,对于科研应用却有些过高。

不过对于日常用途,这帕耳帖效应真可谓优点多多,首先是环保,绝无氟利昂泄露之忧,也基本上没有恼人的噪音。当然还有结构的可靠性,因为本身没有什么可移动的部件,只是简单电路而已,制作维护也都方便。另外成本低廉也是其一大好处,电效应饮水机要比配有压缩机的饮水机便宜得多就是明证。不过由于该效应效率低、制冷速度慢,并不适合追求大面积或是高速的场合。

话说不知道有没有什么利用帕耳帖效应设计的日用品问世,比如做成椅垫,用开关控制电流方向来决定是产热还是制冷,冬夏使用皆宜,如此岂不妙哉?

在此顺便祝WordPress五周岁生日快乐(虽然迟了一天),WP Lives Forever!

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