Материаловедение

Электрокалорические материалы

Электрокалорический эффект представляет собой явление, заключающееся в изменении температуры кристаллических диэлектрических материалов, вызванном изменением приложенного к ним электрического поля. Этот эффект является обратным пироэффекту и, таким образом, наряду с пироэффектом, его следует рассматривать как характерное свойство пироэлектриков.

Уравнение электрокалорического эффекта имеет вид

ΔТ = qΔE,

где ΔТ – изменение температуры;

ΔE – изменение напряженности электрического поля;

q – коэффициент электрокалорического эффекта.

Впервые электрокалорический эффект наблюдали русские физики И. Курчатов и П. Кобеко в 1930 г. при исследовании кристаллов сегнетовой соли. В дальнейшем было показано, что это явление имеет место и у других сегнетоэлектриков, причем в области сегнетоэлектрического фазового перехода оно может давать заметные изменения температуры. Так, в кристалле дигидрофосфата калия КН2РО4, помещенном в сильное электрическое поле, температура фазового перехода может измениться вследствие электрокалорического эффекта приблизительно на 2 °С. Поэтому в практическом отношении сегнетоэлектрики являются наиболее интересными материалами.

Электрокалорический эффект используется для создания твердотельных охлаждающих систем. На рис. 1 схематично показана электрокалорическая холодильная машина. В двух одинаковых блоках 2 и 3 размещены сегнетоэлектрические пластины 1 с расположенными между ними каналами 4 для прокачки теплоносителя. В блоках 2 и 3 в противофазах создается сильное электростатическое поле, причем таким образом, что когда оно приложено в блоке 2, то отсутствует в блоке 3, и наоборот. Например, вначале теплоноситель с помощью поршня 7 прокачивается через блок 3; электрическое поле в данный полупериод в этом блоке отключено и, соответственно, сегнетоэлектрик в блоке 3 имеет пониженную температуру вследствие электрокалорического эффекта. Затем охладившийся теплоноситель протекает через охлаждаемую камеру 5 и нагревается в блоке 2, в котором в данный полупериод включено электрическое поле, и сегнетоэлектрик в нем разогрет. Далее нагретый теплоноситель охлаждается в теплообменнике 6. На протяжении следующего полупериода электрическое поле отключено в блоке 2, но создано в блоке 3, и теплоноситель прокачивается в противоположном направлении.

Схема электрокалорической холодильной машины

Рис. 1. Схема электрокалорической холодильной машины: 1 – сегнетоэлектрические пластины; 2, 3 – активные блоки; 4 – трубки для теплоносителя; 5 – охлаждаемая камера; 6 – теплообменники; 7 – тепловой ключ

Для уменьшения электрического напряжения в электрокалорических установках применяют тонкие керамические пластины и пленки толщиной от 100 мкм до 100 нм вместо массивных сегнетоэлектрических образцов. В случае использовании таких пленок при сохранении большой напряженности электрического поля значения электрического напряжения остаются сравнительно малыми, что позволяет уменьшить риск электрического пробоя образца и обеспечивает электробезопасность.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *