Možno len málo ľudí pozná jav, ktorý sa vyskytuje vo fyzike a je známy ako Thomsonov efektJe to však dosť zaujímavé pre elektroniku a má svoje zaujímavé využitie. Preto vám všetko vysvetlíme jasným a jednoduchým spôsobom, aby ste vedeli, o čo ide. presne ako sme to urobili s elektronikou a analógiou s vodou...
Čo je termoelektrický jav?
El termoelektrický efekt Zahŕňa to premenu medzi teplotným rozdielom a elektrickým napätím a naopak. Inými slovami, keď je na oboch stranách termoelektrického zariadenia teplotný rozdiel, vytvára sa elektrické napätie. Na druhej strane, ak sa na zariadenie aplikuje elektrické napätie, vytvára sa teplotný rozdiel, ktorý je známy ako Peltierov jav.
Na atómovej úrovni je tento jav spôsobený spôsobom, akým nosiče nákladu, ako sú elektróny alebo diery, reagujú na teplotný gradient v materiáli. V prítomnosti tohto teplotného gradientu majú nosiče náboja tendenciu presúvať sa z teplejšej oblasti do chladnejšej oblasti, podobne ako sa plyn rozpína pri zahrievaní. V dôsledku tepelného efektu sa indukuje elektrický prúd.
Tento efekt Má rôzne aplikácie, ako je výroba elektriny, meranie teploty, chladenie alebo ohrievanie predmetov a dokonca aj varenie jedla. Smer ohrevu alebo chladenia je riadený znamienkom aplikovaného napätia, vďaka čomu sú termoelektrické zariadenia užitočné na presnú reguláciu teploty.
Typy termoelektrických javov
Treba povedať, že existuje niekoľko známych termoelektrických javov, ako napr. Peltierov jav, Seebeckov jav a Thomsonov javToto posledné nechám na neskoršiu analýzu, ale aby ste mali predstavu o tom, aké sú tieto ďalšie typy, máme:
- Seebeckov efekt: je generovanie elektrického napätia v obvode, keď je medzi dvoma bodmi vodivého materiálu teplotný rozdiel. Objavil ho Thomas Johann Seebeck v roku 1821. Seebeckov jav nastáva, keď dva body vodivého materiálu majú rôzne teploty. Jeden z týchto bodov sa zahrieva, zatiaľ čo druhý zostáva chladnejší. Keď existuje tento teplotný rozdiel, vo vodivom materiáli sa vytvorí teplotný gradient. Elektróny v materiáli, ktoré majú tepelnú mobilitu, majú tendenciu sa v dôsledku svojej kinetickej energie pohybovať z teplejšej oblasti do chladnejšej oblasti. To vytvára akumuláciu elektrónov na chladnejšej strane a nedostatok na teplejšej strane, čím sa vytvára gradient náboja. Gradient náboja spôsobuje vnútorné elektrické pole v materiáli, ktoré následne vytvára elektrické napätie medzi týmito dvoma bodmi. Toto napätie je známe ako Seebeckovo napätie alebo Seebeckov koeficient a závisí od použitého materiálu. Ak je medzi týmito dvoma bodmi pripojený externý elektrický obvod, Seebeckovo napätie vygeneruje v obvode elektrický prúd. Tento prúd sa môže použiť na napájanie zariadení alebo na meranie teplotného rozdielu medzi dvoma bodmi. Seebeckov jav je základný pri výrobe termočlánkov, čo sú zariadenia používané napríklad na meranie teploty, výrobu energie a na lekárske účely.
- Peltierov jav: Pomenovaný podľa francúzskeho fyzika Jeana-Charlesa-Athanasea Peltiera, je opakom Seebeckovho javu. Namiesto generovania elektrického napätia v dôsledku teplotného rozdielu vytvára Peltierov jav teplotný rozdiel, keď sa na obvod obsahujúci dva rôzne vodivé materiály privedie elektrické napätie. V obvode pozostávajúcom z dvoch rôznych vodivých materiálov sa privedie elektrické napätie. Keď sa privedie napätie, cez vodivé materiály začne pretekať elektrický prúd. Pritom sa teplo prenáša z jednej strany obvodu na druhú. V dôsledku prenosu tepla vzniká medzi dvoma vodivými materiálmi teplotný rozdiel. Jedna strana sa zahrieva, zatiaľ čo druhá sa ochladzuje. Peltierov jav je generovanie tepla alebo chladenia v konkrétnom bode v závislosti od smeru elektrického prúdu. Ak prúd tečie jedným smerom, v tomto bode sa generuje teplo. Ak sa prúd obráti, bod sa ochladí. Peltierov jav sa používa v termoelektrických zariadeniach, ako sú termoelektrické chladiče, mikroprocesorové chladiace systémy a zariadenia na reguláciu teploty. Je to základný princíp v bezkompresnom chladení a v aplikáciách, kde sa vyžaduje účinná regulácia teploty.
To znamená, ako vidíme, Seebeckov a Peltierov jav sa môžu zdať inverzné. Čo je však Thomsonov jav?
Čo je Thomsonov efekt?
El Thomsonov efekt Pomenovaný po svojom objaviteľovi Williamovi Thomsonovi v roku 1851, bol najprv teoreticky formulovaný a potom experimentálne demonštrovaný. Má významné dôsledky pre počítačový priemysel a predstavuje len niekoľko výziev, ktoré ešte treba vyriešiť.
Tento efekt je založený na materiáli, ktorý vedie elektrický prúd. Keď týmto materiálom prechádza prúd a pozdĺž neho existuje teplotný gradient (t. j. teplotný rozdiel), Thomsonov efekt opisuje ako sa tento vodivý materiál môže zahrievať alebo ochladzovať v dôsledku toku elektrického prúdu. Toto sa môže podobať niektorým z vyššie opísaných efektov, ale treba poznamenať, že v tomto prípade máme dva typy Thomsonovho efektu:
- Pozitívne: znamená, že prúd tečie z horúceho konca do studeného konca, to znamená, že sa pohybuje z bodu s vysokým elektrickým potenciálom do iného s nízkym potenciálom, čo generuje teplo.
- NegatívnyJe to presne naopak: existuje studený koniec a horúci koniec s nižším elektrickým potenciálom a prúd tečie z bodu s nižším potenciálom do bodu s vyšším potenciálom, čo vedie k absorpcii tepla.
Aplikácie Thomsonovho efektu
Thomsonov efekt má rôzne aplikácie v rôznych oblastiach vedy a techniky vďaka svojej schopnosti generovať teplo alebo chlad cirkuláciou elektrického prúdu cez vodivý materiál s teplotným gradientom. Nižšie sú uvedené niektoré z najvýznamnejších aplikácií Thomsonovho javu:
- Termoelektrické chladenie: Jedným z najbežnejších použití Thomsonovho javu je termoelektrické chladenie. V termoelektrických chladiacich zariadeniach, ako sú chladničky pre notebooky alebo chladiace systémy mikroprocesorov, sa tento jav využíva na vytváranie kontrolovaných teplotných rozdielov. To umožňuje generovanie tepla na jednej strane zariadenia a chladenie na druhej strane bez potreby pohyblivých častí alebo kvapalných chladiacich médií, vďaka čomu sú kompaktné a energeticky úsporné. Termoelektrické zariadenia sa používajú na chladenie citlivých elektronických súčiastok, ako sú niektoré elektrické zariadenia alebo súčiastky s vysokým výkonom.
- Termoelektrické vykurovanieMôže sa použiť aj na opačný účel, na zvýšenie teploty úpravou elektrického prúdu, ktorý preteká materiálom.
- teplomery: Je nevyhnutný pre vysoko presné a odolné teplotné senzory. Používajú sa v rôznych aplikáciách, od riadenia priemyselných procesov až po lekárske a vedecké teplomery. Preto sa môžu používať v aplikáciách vyžadujúcich presnú reguláciu teploty, ako sú laboratóriá, inkubátory alebo presné systémy HVAC, kde sa termoelektrické zariadenia používajú na udržiavanie stabilných tepelných podmienok.
Ako vidíte, má niekoľko aplikácií, ale... prečo to nevyužiť v čipoch? Prečo nevyužiť tento efekt na chladenie CPU alebo GPU?
Dá sa použiť v čipoch ako CPU alebo GPU?
Rovnako ako dodávame elektrickú energiu ventilátorom na chladičoch CPU a GPU, mohli by sme uvažovať o zvýšení... negatívny Thomsonov efekt Aplikáciou energie na materiál ako nikel alebo meď, kde studený koniec (studená doska) má vyšší elektrický potenciál. Týmto spôsobom, umiestnením tohto materiálu spolu s čipom alebo IHS (integrovaným rozdeľovačom tepla), môže absorbovať viac tepla z čipu, podobne ako Peltierov jav, ktorý sa používa na chladenie niektorých z týchto čipov.
Hoci potrebný elektrický prúd by bol minimálny, ako sa očakávalo a z teoretického hľadiska, Tento systém by sa zdal byť uskutočniteľný, pri jeho implementácii by sa musel vyhodnotiť skutočný teplotný zisk, okrem toho, aby sa predišlo takému poklesu teploty, pri ktorom existuje riziko kondenzácie, ktorá by mohla poškodiť elektroniku. Existuje však jeden faktor, ktorý tomu bráni.
Thomsonov efekt sa nedal aplikovať bez poškodenia matrice.Súčasná nanometrová stupnica stanovuje extrémne presné hodnoty impedancie, jitteru a ďalších elektrických parametrov pre moderný čip. Implementácia Thomsonovho efektu by zaviedla dodatočný externý prúd, ktorý by mohol spôsobiť nenapraviteľné poškodenie čipu a zanechať nám nepoužiteľný čip.
Možno si myslíte, že by sa to dalo urobiť, keby ste napríklad izolovali matricu od bloku, kde sa používa Thomsonov efekt, umiestnili ju do IHS (Integrovaný rozdeľovač tepla)V priemysle sa v priebehu histórie vyskytli pokusy o dosiahnutie tohto cieľa. Problém je však v tom, že zlúčeniny používané na utesnenie IHS nie sú úplne odolné voči elektrickému prúdu, pretože sú zvyčajne založené na derivátoch uhlíka. To znamená, že časť zvodového prúdu by sa mohla dostať na dosku plošných spojov (PCB) s vodivými vrstvami, ako je meď, a nakoniec poškodiť čip.
Musíme mať na pamäti, že moderné čipy sú veľmi citlivé, dokonca aj statická elektrina generovaná ventilátorom pohybujúcim vzduchom smerom k rebrám chladiča môže spôsobiť problémy na niektorých modeloch GPU s odkrytým čipom. Preto je dôležité nepoužívať na grafických kartách teplovodivé pasty s tekutým kovom (alebo vysoká elektrická vodivosť), pretože akýkoľvek únik prúdu by mohol trvalo poškodiť čip.
To isté platí pre CPU, ktoré sa rozoberajú, aby sa vytvoril kontakt medzi čipom a blokom alebo chladičom, alebo pre mikroprocesory spred niekoľkých rokov, ako napríklad AMD Athlon, Pentium II atď., kde bolo zapuzdrenie čipu odkryté bez IHS v kontakte s chladičom…