Определение качества теплопроводности термопасты посредством свойств термоэлектричества, реализованной на элементе Пельтье

Термоэлектричество являет собой целое объединение физических явлений (Эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона), в которых электрический потенциал появляется благодаря разницы температур, либо же разница температур создаёт электрический потенциал.

Эти явления основываются на том, что в электрической цепи, которая состоит из разнородных полупроводников, если поддерживать на контактах этих полупроводников разницу температур начинает возникать термоэлектродвижущая сила, которая действует и подчиняется таким же законам, как и обычная электродвижущая сила (ЭДС).

Часть явлений в физике является обратимыми, соответственно термоэлектричество могло создавать термо ЭДС при разнице температур, так и при протекании тока через разные металлы в местах спаев появляется разница температур, в том числе и в отрицательную сторону.

Явление, основанное на возникновении разницы температур при протекании тока, называется эффектом Пельтье (1). Причина возникновения такого эффекта основывается на том, что средняя энергия электронов в электрическом токе в разнородных металлах является различной. Если один полупроводник имеет свободные электроны, у которых энергия выше, чем энергия электронов во втором полупроводнике, то при протекании тока из первого проводника во второй будет образовываться тепло, при обратном движении – будет происходить поглощение тепла.

где:

Q- 

I - сила тока;                                                     

t-  время протекания тока;

П - коэффициент Пельтье, который связан с коэффициентом термо-ЭДС  α вторым соотношением Томсона П= αT, где T — абсолютная температура в K.

Всё вышесказанное нужно для понимания работы самого элемента Пельтье – термоэлектрического преобразователя, принципе действия которого основывается на эффекте Пельтье. Базируется работа элемента Пельтье на контакте двух полупроводниковых металлов с различными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. Сам элемент состоит из маленьких полупроводниковых параллелепипедов – n-типа и p-типа, которые соединяются в паре благодаря металлическим перемычкам. Эти пары подсоединяются в последовательное соединение пар полупроводников с разным типом проводимости. Сверху находятся соединения n>p, а снизу p>n. Протекание тока – последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от протекания тока нагрев и охлаждение могут меняться местами.

При хорошем охлаждении горячей стороны элемента Пельтье холодная сторона охлаждается куда более эффективно и может достигать более отрицательной температуры, чем без охлаждения. По этому признаку можно проверить качество термопасты.

Проверка будет проводиться с различными термопастами на элементе Пельтье модели TEC1-12706. Будут построены графики температуры от времени. После будет нанесена термопаста модели Thermal Grease, так же построена зависимость температуры от времени. После термопаста модели КПТ-8. И последняя модель термопасты GD900.

Практическая часть

Рисунок 1. Схема рабочей установки

Таблица 1.

Зависимость температуры от времени термопасты: КПТ-8, HY810 Thermal Grease, GD900.

Рисунок 2. Зависимость температуры от времени термопасты КПТ-8

Рисунок 3. Зависимость температуры от времени термопасты HY810 Thermal Grease

Рисунок 4. Зависимость температуры от времени термопасты GD900

Вывод: при проверке теплопроводности на элементе Пельтье были испытаны три различных вида термопасты. Наиболее эффективными теплопроводящими термопастами явились HY810 Thermal Grease и GD900. Коэффициент теплопроводности при сравнении оказался примерно одинаковым: 4.63 и 4.8 Вт/м*К, в то время как КПТ-8 оказался достаточно неэффективным, что видно на графике, теплопроводность КПТ-8 – 0.8 Вт/м*К. Как показала практика проверка коэффициента теплопроводности может осуществляться посредством термоэлектричества на базе элемента Пельтье.