Электрокалорический коэффициент, электрокалорический эффект и электрокалорические холодильники

Что такое электрокалорический эффект?

Электрокалорический эффект - это явление, при котором изменение температуры материала происходит под действием приложенного электрического поля. Эффект проявляет тепловую активность, поглощая или выделяя тепло из-за изменения условий поляризации под действием внешнего электрического поля. Электрокалорический эффект связан, но отличается от хорошо известного термокалорического эффекта, включая термоэлектрический или термофоретический эффекты, которые относятся к изменению температуры под действием тепловых градиентов или магнитных полей. Однако электрокалорический эффект относится непосредственно к манипулированию температурой с помощью электрических полей; следовательно, он может предложить перспективный альтернативный подход к традиционным системам охлаждения и хладоснабжения.

Для материалов с сильным электрокалорическим эффектом изменение приложенного электрического поля либо повышает, либо понижает температуру материала в зависимости от направления приложенного электрического поля. Степень этого эффекта описывается электрокалорическим коэффициентом, представляющим собой изменение температуры на единицу изменения электрического поля.

Электрокалорический коэффициент

Электрокалорический коэффициент - это величина, измеряющая величину электрокалорического эффекта в материале, и определяется как изменение температуры ( Δ T ) материала на единицу приложенного электрического поля ( Δ E ):

Электрокалорический коэффициент = ΔT/ΔE

Также полезно знать, сколько человек примет участие в вашем исследовании или эксперименте.

Чем выше электрокалорический коэффициент, тем больше изменение температуры материала под действием приложенного электрического поля. Поскольку такие материалы будут более эффективны при охлаждении, коэффициент обычно выражается в таких единицах, как Кельвин на Вольт.

Материалы с высокими электрокалорическими коэффициентами представляют большой интерес в связи с возможностью их использования в твердотельных охлаждающих устройствах - одной из технологий, которая может заменить традиционные хладагенты и компрессоры в обычных системах охлаждения. Особенно перспективным для энергоэффективного охлаждения является электрокалорический эффект, который позволяет реализовать энергоэффективное охлаждение без использования вредных для здоровья газов или химических охлаждающих жидкостей.

Электрокалорический эффект и материалы

Электрокалорический эффект наблюдается в широком спектре материалов, включая, в частности, ферроэлектрические и антиферроэлектрические материалы, демонстрирующие сильную электрическую поляризацию, которая может быть модулирована приложением электрического поля. Такие материалы при воздействии электрического поля могут изменять свою внутреннюю структуру или дипольную ориентацию, вызывая повышение температуры.

Известны некоторые материалы, проявляющие электрокалорический эффект, в том числе:

- Цирконат-титанат свинца: PZT - широко изученный и исследованный ферроэлектрический материал; он демонстрирует значительную электрокалорическую реакцию и был протестирован в лабораторных условиях для охлаждения.

- Поли(винилиденфторид) (PVDF) - полимерный материал, обладающий пьезоэлектрическими и электрокалорическими свойствами, а также представленный для применения в гибких электрокалорических устройствах.

- Титанат бария (BaTiO₃): Этот традиционный ферроэлектрический материал обладает большим поляризационным откликом, поэтому перспективен для электрокалорического охлаждения.

- Танталат висмута-стронция: Обладая очень высоким электрокалорическим коэффициентом, он считается одним из наиболее перспективных материалов для разработки эффективного охлаждения.

Эти материалы широко изучаются на предмет их электрокалорических свойств; тем не менее, новые соединения и композиты постоянно исследуются в попытке повысить производительность, стабильность и энергоэффективность.

Электрокалорические охладители: Будущее твердотельного охлаждения

Электрокалорические охладители - это класс устройств, использующих электрокалорический эффект для охлаждения окружающей среды или объекта. В то время как большинство традиционных холодильных систем работают по принципу сжатия и расширения газов с помощью механических компрессоров, электрокалорические охладители генерируют охлаждение за счет применения и удаления электрических полей. Возможность охлаждать материалы без хладагентов открывает широкие возможности для применения в самых разных областях - от электроники и медицинских приборов до устойчивых энергетических систем.

Принцип работы электрокалорических охладителей

Основным элементом электрокалорического охладителя обычно является материал с особенно сильным электрокалорическим эффектом. Общий принцип работы электрокалорического охладителя включает в себя следующие этапы:

1. Приложение электрического поля: Приложение электрического поля к электрокалорическому материалу изменяет его поляризацию, что влечет за собой выделение или поглощение тепла и, соответственно, изменение его температуры в зависимости от направления приложенного поля.

2. Тепловой обмен: Далее объект или пространство, которое необходимо охладить, вводится в тепловой контакт с электрокалорическим материалом. После приложения электрического поля он поглощает тепло от объекта и отдает его в окружающую среду.

3. При изменении направления электрического поля материал возвращается к своей первоначальной температуре, завершая тем самым цикл непрерывного охлаждения.

Области применения электрокалорических охладителей

Электрокалорические охладители очень востребованы во многих областях применения, поскольку они обеспечивают компактное, эффективное и экологичное охлаждение. Среди потенциальных областей применения можно назвать следующие:

- Охлаждение электроники: Возникает потребность в более мощных, но при этом небольших по размеру электронных устройствах. В связи с этим потребуются эффективные решения для охлаждения. Электрокалорические охладители предлагают твердотельное решение с возможностью интеграции непосредственно в электронную схему без громоздких холодильных установок или даже вентиляторов.

- Медицинские приборы: Медицинские устройства, используемые в криогенной технике, для хранения лекарств или хирургического оборудования, требуют точного контроля температуры, и электрокалорические охладители могут стать компактной и эффективной альтернативой традиционным методам охлаждения.

- Портативное охлаждение: Электрокалорические охлаждающие устройства могут использоваться в портативных холодильных установках, таких как холодильники для кемпинга или путешествий, которые не зависят от химических хладагентов.

- Устойчивые энергетические системы: Электрокалорические охладители способны обеспечить энергоэффективное охлаждение в системах солнечной энергетики или в системах хранения энергии для поддержания оптимальных температурных условий и, следовательно, высокой производительности устройств хранения энергии, таких как батареи.

Электрокалорический эффект и устойчивое развитие

Электрокалорический эффект, являясь экологически чистым способом охлаждения, способен внести значительный вклад в устойчивое охлаждение. Большинство стандартных методик охлаждения основаны на использовании опасных химических хладагентов, таких как CFC и HFC, которые имеют ряд негативных последствий для экосистемы, включая разрушение озонового слоя и глобальное потепление. В отличие от них, электрокалорический охладитель работает независимо от таких химических хладагентов, предлагая, таким образом, экологичную и энергоэффективную альтернативу.

Еще одним важным следствием этого является то, что электрокалорические материалы могут быть более энергоэффективными, чем традиционные системы. Поскольку в процессе не участвуют механические части, такие как компрессоры, системы, использующие электрокалорический эффект, могут работать при очень низком потреблении энергии, тем самым уменьшая углеродный след от промышленного и коммерческого охлаждения.

Заключение

Электрокалорический эффект может произвести революцию в технологиях охлаждения, обеспечив более энергоэффективную, экологичную и компактную альтернативу традиционному охлаждению. Это может сделать технологию важной во всем - от бытовой электроники до медицинских приборов и устойчивых энергетических систем, поскольку продолжаются исследования по поиску новых материалов и усовершенствованию электрокалорических охладителей. Благодаря использованию электрокалорического эффекта уже сделаны значительные шаги на пути к устойчивому и энергоэффективному будущему, а впереди еще много других шагов. Дополнительную информацию можно получить в Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое электрокалорический эффект?

Это изменение температуры материала в ответ на приложение электрического поля. Следовательно, этот процесс можно использовать для охлаждения без традиционных хладагентов или механических частей.

2. Как измеряется электрокалорический коэффициент?

Электрокалорический коэффициент можно измерить с помощью электрического поля, приложенного к материалу, и регистрации результирующего изменения температуры. Обычно он выражается в единицах Кельвина на Вольт, K/V, отражая изменение температуры на единицу изменения электрического поля.

3. Какие материалы могут обладать электрокалорическим эффектом?

Исследовательские работы обычно сосредоточены на таких материалах, как цирконат-титанат свинца (PZT), титанат бария (BaTiO₃) и поли(винилиденфторид) (PVDF), из-за их превосходных электрокалорических свойств, среди которых наблюдается довольно высокое изменение температуры под действием приложенного электрического поля в процессе электрокалорического охлаждения.

4. Какие преимущества имеют электрокалорические охладители по сравнению с традиционным охлаждением?

Электрокалорические охладители могут быть более энергоэффективными, работать без использования химических хладагентов, которые могут быть вредными, и не иметь движущихся частей, поэтому они более компактны и надежны. Кроме того, они лучше интегрируются в электронные устройства и другие компактные системы.

5. Имеются ли электрокалорические охладители в продаже?

Пока электрокалорические охладители находятся на стадии исследований и разработок, они активно разрабатываются для конкретных применений, в основном для электроники и медицинских приборов. Сферы применения будут расширяться по мере совершенствования материалов и технологий.