Электрокалорический эффект: изменение температуры в электрическом поле.
Electrocaloric effect
Электрокалорический эффект: обратимое изменение температуры материала под воздействием электрического поля. Объяснение явления и отличия от других эффектов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Изменение температуры материала под воздействием электрического поля.
Электрокалорический эффект – это явление, при котором материал демонстрирует обратимое изменение температуры при приложении электрического поля. Он часто рассматривается как физическая обратная величина пироэлектрическому эффекту.
Temperature change of a material under an electric field
The electrocaloric effect is a phenomenon in which a material shows a reversible temperature change under an applied electric field. It is often considered to be the physical inverse of the pyroelectric effect.
Механизм
Электрокалорический эффект не следует путать с термоэлектрическим эффектом (в частности, с эффектом Пельтье), при котором возникает разность температур при прохождении электрического тока через контакт двух различных проводников. Фундаментальный механизм этого эффекта до конца не выяснен; в частности, различные учебники предлагают противоречивые объяснения. (Магнитокалорический эффект – аналогичное, но лучше изученное и известное явление.)
The electrocaloric effect should not be confused with the Thermoelectric effect (specifically, the Peltier effect), in which a temperature difference occurs when a current is driven through an electric junction with two dissimilar conductors. The underlying mechanism of the effect is not fully established; in particular, different textbooks give conflicting explanations. (The magnetocaloric effect is an analogous, but better known and understood, phenomenon.)
История исследований
Электрокалорические материалы были в центре значительного научного интереса в 1960-х и 1970-х годах, но не нашли коммерческого применения из-за недостаточной величины электрокалорического эффекта для практических задач, при этом максимальный достигнутый отклик составлял 2,5 градуса Цельсия при приложенном потенциале в 750 вольт. Конструкция устройства состояла из тонкой пленки (PZT) на значительно более толстой подложке, однако значение в 12 К отражает охлаждение только тонкой пленки. Фактическое охлаждение такого устройства было бы меньше 12 К из-за теплоемкости подложки, к которой оно присоединено. В 2008 году было продемонстрировано, что ферроэлектрический полимер также способен обеспечивать охлаждение на 12 К, ближе к комнатной температуре (однако выше 70 °C), чем PZT. В 2023 году исследователи из Люксембургского института науки и технологий разработали устройство, способное создавать температурный перепад в 20 К, с возможностью дальнейшей оптимизации для приближения технологии к конкурентоспособности с другими методами охлаждения. Благодаря этим новым, более значительным откликам, практическое применение становится более вероятным, например, в системах охлаждения компьютеров или батарей. В перспективе электрокалорический эффект может быть использован в высокоэффективных тепловых насосах.
Electrocaloric materials were the focus of significant scientific interest in the 1960s and 1970s, but were not commercially exploited as the electrocaloric effects were insufficient for practical applications, the highest response being 2.5 degrees Celsius under an applied potential of 750 volts. The device structure consisted of a thin film (PZT) on top of a much thicker substrate, but the figure of 12 K represents the cooling of the thin film only. The net cooling of such a device would be lower than 12 K due to the heat capacity of the substrate to which it is attached. Along the same lines, in 2008, it was shown that a ferroelectric polymer can also achieve 12 K of cooling, nearer to room temperature (yet above 70 °C) than PZT. In 2023, researchers at the Luxembourg Institute of Science and Technology developed a device capable of creating a temperature difference of 20 K, with further optimizations possible to bring the technology closer to competing with other methods of cooling. With these new, larger responses, practical applications may be more likely, such as in computer cooling or batteries. In the long term the electrocaloric effect might moreover be used in high efficiency heat pumps.