Erg bekend zijn ze niet. Je vindt ze de laatste tijd steeds vaker in bijvoorbeeld koelkasten, en ook in aquaria worden ze vaak gebruikt. Ze zijn meestal klein, makkelijk ergens in te bouwen en hebben niet veel stroom nodig. Je kunt ze gebruiken om iets te koelen, om iets te verwarmen en je kunt er zelfs motortjes mee aandrijven. We hebben het over platte, witte plaatjes die een elektrische stroom kunnen omzetten in een warmtestroom: Peltier-elementen.
Figuur 1: een voorbeeld van een Peltier-element. Dit element van 4x4 cm is afkomstig uit het deksel van een koelbox en is op een stuk metaal gemonteerd om de warmteoverdracht te verbeteren. In figuur 3 zie je een close-up van de zijkant van dit element.
In figuur 1 zie je een voorbeeld van zo’n Peltier-element. Je ziet dat er twee draadjes aan het element vastzitten. Als je een van deze draadjes aansluit op de pluspool van een gelijkstroombron (bijvoorbeeld een batterij of een transformator van een modelspoorbaan. Een normale AA-batterij is al genoeg om het verschil te kunnen voelen!), en de andere draad op de minpool, en je pakt het Peltier-element aan beide kanten vast, zul je aan de ene kant koude vingertoppen krijgen en aan de andere kant je vingers verbranden. Wat er namelijk gebeurt is dat het Peltier-element de elektrische stroom die je er doorheen stuurt omzet in een warmtestroom. Daardoor wordt er warmte van de ene kant van het element naar de andere kant getransporteerd. De kant waar de warmte ‘weggehaald’ wordt, wordt koud, en de kant waar de warmte ‘naartoe gaat’ wordt natuurlijk warm. Het Peltier-element is daarmee een elektrische warmtepomp. Dat effect is enorm goed toepasbaar voor het op temperatuur houden van aquaria en computeronderdelen en voor het bouwen van koelkasten die geen geluid maken.
Figuur 2: schema van het Peltier-effect. A en B zijn stukken van verschillende metalen. Als er een elektrische stroom door deze stukken wordt gestuurd, wordt er warmte tussen de twee metaal-overgangen getransporteerd. Als de metalen A en B verwisseld zouden worden, zou de warmte de andere kant op stromen. Als de stroom andersom zou lopen ook.
De werking van een Peltier-element
De werking van het Peltier-element berust op het zogenaamde Peltier-effect [1], dat in 1834 ontdekt werd door de Fransman Jean Peltier (nu weet je ook waar de naam vandaan komt). Wat hij ontdekte was het volgende: Als je een gelijkstroom door twee verschillende metalen A en B stuurt, dan wordt er warmte getransporteerd van de overgang van metaal A naar metaal B naar de overgang van metaal B naar metaal A. In figuur 2 zie je eens schema van hoe dit werkt. Het is van de gebruikte metalen afhankelijk aan welke overgang er warmte wordt opgenomen en bij welke er warmte wordt afgestaan.In figuur 3 kun je zien hoe dit effect wordt gebruikt in een Peltier-element. Je ziet hier dat er in principe heel vaak de schakeling van figuur 2 achter elkaar is geplakt. De rode pijl geeft aan hoe de stroom loopt. Deze loopt steeds door metaal A, dan via een metaalbrug (een stukje koper dat de overgang van metaal A naar metaal B vormt) naar metaal B en vervolgens andersom. Bij elke overgang van metaal A naar metaal B wordt er warmte opgenomen, en bij elke overgang van metaal B naar metaal A wordt er warmte afgestaan. Hoe meer stroom er loopt, des te meer warmte wordt er getransporteerd, en des te groter is dus het warmteverschil dat je maakt.
Figuur 3: Close-up van het Peltier-element uit figuur 1. Je ziet hier dat er in principe heel vaak de schakeling van figuur 2 achter elkaar is geplakt. De rode pijl laat zien hoe de stroom loopt.
Omgekeerd effect
Je kunt een Peltier-element ook precies omgekeerd gebruiken: In plaats van stroom omzetten in warmtetransport, kun je er ook een warmteverschil mee omzetten in stroom. Dat effect werd al in 1821 ontdekt door de Duitse wetenschapper Thomas Seebeck. Het heet daarom ook wel het Seebeck-effect. Soms wordt ook de naam ‘thermo-elektrisch effect’ gebruikt als benaming voor het Peltier-effect en het Seebeck-effect samen.Het Seebeck-effect houdt dus in dat er niet alleen elektrische stroom kan worden omgezet in warmtetransport, maar ook een warmteverschil in een elektrische stroom. Dat betekent dat als je de ene kant van het element warm maakt, en de andere kant koud, er vanzelf stroom gaat lopen in het element! Dit wordt wel eens gebruikt voor het meten van temperatuur. Kijk nog maar eens in figuur 2 en 3. Als hier niet de stroom voor het warmtetransport zorgt, maar andersom, gaat er meer stroom lopen als het temperatuursverschil groter is. Als je dan meet hoe groot de stroom is die er gaat lopen, weet je ook hoe groot het temperatuursverschil is. Als je de ene metaalovergang in smeltend ijs houdt (dat heeft namelijk altijd een temperatuur van 0 graden Celsius), en de andere metaalovergang in de buitenlucht, en je weet hoeveel stroom er geproduceerd wordt per graad temperatuursverschil, kun je dus uitrekenen hoe warm de lucht is! Thermometers die zo werken worden thermokoppels genoemd (zie figuur 4).
Figuur 4: een manier om temperatuur te meten met behulp van een thermokoppel. De twee metalen pinnen zijn de overgangen van metaal A naar metaal B en andersom. Met de voltmeter, het zwarte apparaat, kan gemeten worden hoeveel stroom er geproduceerd wordt. [2]