Песнь льда и пламени

Заметки из серии занимательная физика.

Речь пойдет об элементах Пельтье, устройствах, которые при определенных условиях могут достаточно сильно нагреваться и охлаждаться. Повышение температуры настолько сильное, что человек способен обжечь палец простым прикосновением. При охлаждении же элемент становится ледяным.

Выглядят данные устройства как небольшие квадраты с двумя проводками. Их можно спаивать друг с другом, получая комбинации. С помощью подобных комбинаций создаются даже компактные охладительные и нагревательные машины.

Перед вами элемент Пельтье. Стандартный размер приблизительно 40×40 миллиметров. Для того, чтобы объяснить, как он работает, обозначим верхнюю поверхность квадрата стороной А, а нижнюю — стороной Б.

Через элемент протекает электрический ток с напряжением около 12-16 вольт.

В первом случае ток протекает через устройство от красного провода с черному. Температура стороны А повышается, а стороны Б понижается.

Во втором случае все меняется с точностью до наоборот. Ток идет по черному проводу к красному: сторона А становится холодной, а Б горячей.

Ток — это направленное движение заряженных частиц. При изменении направления движения этих частиц (тока), холодная и горячая стороны элемента меняются местами. Данный феномен получил называние эффект Пельтье.

Температура горячей стороны приблизительно +80 градусов Цельсия, но в определенных моделях она может доходить до +150. Измерив температуру на холодной стороне, мы получим что-то в диапазоне от -9 до -20 градусов.

Еще более занимательно то, что эффект Пельтье обратим. Если одновременно начать охлаждать одну сторону квадрата и нагревать другую, то по проводам потечет ток.

Мы рассмотрели процесс на бумаге или в вакууме. Теперь поговорим о его применении на практике.

Колебания температуры от +80 до -7 огромны для квадратика 40×40 миллиметров. Если вовремя не отвести тепло, то устройство перегорит и выйдет из строя за несколько десятков секунд.

Поэтому, обычно модуль Пельтье крепится с помощью термопасты, улучшающей теплопроводность, к радиатору. Радиатором может служить обычный большой кусок металла. Сам радиатор дополнительно соединен с вентилятором, который создает воздушный поток от металла к окружающей среде. Таким образом элемент Пельтье передает тепло радиатору, а радиатор уже выбрасывает его в воздух. Другая сторона устройства при этом постоянно охлаждает. Вся система стабильна и выглядит следующим образом:

На картинке самый простой пример с одним элементом Пельтье. Для того, чтобы улучшить охлаждение, можно спаять 12, 14 или 20 модулей в сеть и прикрепить их к крупному радиатору.

Также существуют устройства/переключатели, меняющие направление движения тока. При правильном подборе количества элементов Пельтье, размеров радиатора и подобных переключателей можно получить стабильную и компактную термокамеру.

Отличным примером подобной термокамеры являются небольшие холодильники для автомобилей.

Холодильник подключается к разъему для прикуривателя. Напряжение от автомобильного прикуривателя составляет 12 вольт. Сверху таких холодильников есть переключение на режимы охлаждения или нагрева. Летом можно охладить напитки, а зимой взять еду в любимом ресторанчике и поддерживать ее горячей до приезда домой.

Еще все мы, наверное, видели офисные кулеры. В хороших моделях обычно можно выбирать температуру воды и даже набирать кипяток для чая или кофе. Охлаждение и нагревание воды в таких кулерах также происходит за счет применения эффекта Пельтье.

Если в детстве вы думали, что заклинания Гарри Поттера — это круто, хотели уметь также, а потом расстроились, что в реальном мире они не работают, то советую не удручаться. В реальном мире есть что-то и покруче заклинаний Гарри. Например, элементы Пельтье.

Всем хорошего дня!