Как создать микрохолодильник?

Все мы знаем, что охлаждающие бытовые приборы, такие как холодильник или кондиционер, работают по принципу забора тепла из ограниченного пространства и его выброса в окружающую среду. Для этого у них есть сложная система трубок, по которым насосом прокачивается жидкий хладагент.

Но что если холодильник нужен там, где места совсем мало? Например, когда нужно охлаждать какие-то электронные компоненты в устройстве. Физика все еще позволяет нам создать микрохолодильник, и человечество уже нашло способ сделать это, основанный на эффекте Пельтье.

На самом деле эффект Пельтье, можно сказать, является обратным эффекту Зеебека, о котором я рассказывал в посте про термопары.

В термопаре между двумя ее концами с разными температурами возникает разность потенциалов и электрический ток. При эффекте Пельтье, наоборот, при пропускании электрического тока один конец нагревается, а другой охлаждается. Рассмотрим подробнее, как это работает.

У каждого металла есть своя средняя энергия, которую могут иметь электроны при той или иной температуре. Она зависит от электронного строения атомов, и электроны в каждом веществе не могут иметь энергию больше той, которая предусмотрена его строением.

Когда мы соединяем два разных металла и прикладываем к концам разность потенциалов, через это соединение начинает идти ток, и электроны перепрыгивают из одного металла в другой. Но когда электрон с определенной энергией оказывается в металле, где такая энергия не предусмотрена его строением, он волей-неволей подстраивается под правила новой среды обитания и изменяет свою энергию до средней энергии электронов в новом веществе.

Таким образом, если, например, электрон перескочил из металла, где он имел большую энергию, в металл с меньшей энергией, по закону сохранения ее излишек отдается колебаниям атомов решетки, и те начинают колебаться сильнее, а температура металла растет. Напротив, если электрон перескочил из металла, где он имел меньшую энергию, в металл с большей, то ему, чтобы существовать в новой среде обитания, нужно дополнительную энергию откуда-то взять. Он берет ее из колебаний решетки, тем самым замедляя их, а металл при этом охлаждается.

Если мы создадим так называемый элемент Пельтье — последовательно соединим чередующиеся металлы, то при каждом переходе отдача или забор тепла у кристаллической решетки будет суммироваться, и в итоге мы получим существенный нагрев одной стороны элемента и сильное охлаждение с другой. Таким образом, этот прибор является своеобразным тепловым насосом, который перекачивает через себя тепло из одной части в другую, также как и холодильник, только гораздо меньших размеров.

Эффективно работающие холодильники Пельтье содержат в себе полупроводники вместо металлов. Разница между энергиями электронов разных металлов не такая большая, и эффект Пельтье в них достигается очень слабый. Гораздо сильнее этот эффект в полупроводниках: при протекании тока через проводники n- и p-типа на их границах происходит рекомбинация электронов и дырок, при которой на одном контакте выделяется энергия, уходящая в тепло, а на другой — поглощается, что и создает охлаждение. О том, как работают полупроводники и диоды я рассказывал здесь. Поэтому современные элементы Пельтье — это сложное последовательное чередование полупроводников n- и p-типов и металлических перемычек между ними. Перемычки перенаправляют ток между полупроводниками так, чтобы выделяющаяся и поглощающаяся энергия суммировалась, приводя к образованию горячей и холодной противоположных сторон элемента.

Еще одним важным условием для элемента Пельтье является его низкая теплопроводность. Ведь большая разница температур противоположных контактов, находящихся рядом, при высокой теплопроводности (например, в металлах) неизбежно приводит к быстрому перетеканию тепла от горячего к холодному. И тогда это устройство становится бессмысленным. Здесь как раз еще один бал в пользу полупроводников, плохо проводящих тепло.

Хотели бы себе такой холодильник?