З розвитком технологій з'являється потреба в створенні нових джерел енергії, в тому числі і електричної. Існує безліч способів отримання електрики. Гідроенергетика займається перетворенням кінетичної енергії води в електричну. На атомних електростанціях відбувається перетворення енергії ділення ядер в теплову, а потім і в електричну енергію. Однак з появою напівпровідникових термоелектричних матеріалів з'явилася можливість прямого перетворення теплової енергії в електричну за рахунок термоелектричних генераторів. Перетворення відбувається за основними термоелектричним принципам, названим на честь великих вчених: ефект Зеєбека, Пельтьє і Томсона. Дослідження цих ефектів сприяє вирішенню проблеми енергетичної безпеки, внаслідок підвищення значення альтернативної енергії.
Початок XIX століття ознаменоване «Золотим віком фізики та електротехніки». Термоелектричні явища були вперше виявлені Заєбеком в 1823 році. Суть явища Заєбека полягає в тому, що при виникненні струму в замкнутому електричному колі, яке складається із різних провідників, з’єднаних між собою спаями (термопара), які знаходяться в неізотермічних умовах. Виникаюча при цьому в розімкнутому колі ЕРС, називається термоелектрорухомою силою Е. Вона залежить від абсолютних значень і від різниці температур відповідних спаїв і визначається природою матеріалів, які знаходяться в контакті один з одним.
В невеликому інтервалі температур Е можна рахувати з достатнім рівнем точності, пропорційну різницю температур спаїв, і деякому коефіцієнту , так званий коефіцієнт диференціальної термо – ЕРС який визначається згідно виразу:
f
Або якщо точніше то:
f
Коефіцієнт термо – EPC визначається в першу чергу матеріалами з яких складається термопара, для позначення яких ми ввели позначення 1 і 2, і також залежить від різниці температур (в деяких випадках зі зміною температури термо – EPC навіть змінює знак).
Пізніше, у 1834 році французький вчений Жан-Шарль Пельтьє, аналізуючи ефект Заєбека, експериментував з краплею води, поміщеній на стику двох провідників (вісмуту і сурми). При пропущенні струму в одному напрямку крапля води замерзала, а при зміні напрямку струму вона танула. За допомогою цього експерименту було встановлено, що при проходженні струму через контакт двох провідників в одному напрямку тепло виділяється, в іншому – поглинається. Дане явище було названо ефектом Пельтьє.
Ефект Пельтьє — явище виділення або поглинання тепла на контактах двох провідників при проходженні через них електричного струму.
Класична теорія пояснює явище Пельтьє тим, «що при переносі електронів струмом з одного металу в іншій, вони прискорюються або сповільнюються внутрішньою контактною різницею потенціалів між металами[5]. У разі прискорення кінетична енергія електронів збільшується, а потім виділяється у вигляді тепла. У зворотному випадку кінетична енергія зменшується, і енергія поповнюється за рахунок енергії теплових коливань атомів другого провідника, таким чином він починає охолоджуватися.
Цей процес є оборотним, електричний струм може подаватися через контакт для створення градієнта температури (а отже і теплового потоку), або ж градієнт температури може використовуватися для генерування електричного струму.
Величина тепла Пельтьє, що виділяється і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу його проходження. Розмірність коефіцієнта Пельтьє:
[П] СІ = Дж / Кл = В.
Ефект Пельтьє, як і всі термоелектричні явища, виражений особливо сильно в ланцюгах, складених з електронних (n – тип) і діркових (р – тип) напівпровідників. У цьому випадку ефект Пельтьє має інше пояснення.
Сучасні модулі Пельтьє – це конструкція, що складається з двох пластин – ізоляторів (як правило, керамічних), з розташованими між ними послідовно з'єднаними термопарами. З спрощеною схемою такого елемента можна ознайомитися на представленому нижче рисунку 5.
Модуль Пельтьє, являє собою термоелектричний холодильник, що з послідовно з'єднаних напівпровідників p - і n - типу утворюють р - n і n - р – переходи. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з одним з двох радіаторів. В результаті проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтьє, один радіатор працює як холодильник, інший радіатор нагрівається і служить для відводу тепла. На рис. 6 представлений зовнішній вигляд типового модуля Пельтьє:
Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад, який становить кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні нагріваючого елемента радіатора, другий радіатор – холодильник, дозволяє досягти від'ємних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтьє при забезпеченні адекватного їх охолодження. Це дозволяє порівняно простими засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються.
