В 1798 году Жану Шарлю Атаназу Пельтье было всего 13 лет, и хотя он был рождён в скудно образованной семье посреди провинциальной Франции, люди уже тогда начали обращать внимание на интеллектуальные способности юноши.

Пельтье увлечённо постигал каждую книгу, до которой только мог добраться, и проявлял недюжинный талант в починке часов. Поскольку традиционное общее образование было родителям не по карману, отец Жана определил мальчика в подмастерья к часовщику. По мнению молодого Пельтье, его начальник месье Браун был крайне неприятен и обладал нездоровой тягой к контролю. Браун запретил ученику постигать любые науки, кроме часовых механизмов. Впрочем, по ночам Пельтье зажигал свечи и тайно принимался за чтение. Так происходило до тех пор, пока Браун не застукал юношу и не отобрал у него единственный источник света. Даже после этого Пельтье пытался читать у окна под сиянием полной луны. Но Браун вновь вычислил его, лишив самой скудной возможности учиться. Это была последняя капля: в слезах воскликнув «Довольно!», Жан ускользнул в Париж.

В столице жизнь пошла на лад. Пельтье получил работу у почитаемого французского часовщика Абрахама-Луи Бреге. Жан верой и правдой служил ему вплоть до 1815 года — солидное наследство, доставшееся от матери жены, принесло долгожданную финансовую независимость и возможность выйти за рамки часового дела. Впервые в жизни Пельтье мог без остатка посвятить себя любимому занятию — чтению. Его интерес возбуждали любые книги: проза Вольтера, философия Руссо, но более остальных — научные издания.

С каждой прочитанной страницей любопытство Пельтье лишь возрастало. Вскоре он стал не только теоретиком, но и экспериментатором. Немногие учёные могли похвастать энтузиазмом к столь широкому полю дисциплин. Жан препарировал животных, наблюдал за ночным небом, изучал химические процессы и предсказывал погоду, и это лишь несколько примеров. Однако самым значительным вкладом изобретателя в наши дни считаются его эксперименты с электричеством.

В 1834 году Пельтье обнаружил, что при подаче тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, на стыке разнородных проводов происходит нечто примечательное. В зависимости от направления движения тока, один спай нагревается, а другой охлаждается. Чем большее напряжение направлено в цепь, тем значительней разница температур.

Этот феномен сейчас называют эффектом Пельтье, и он является ключевым элементом конструкции множества точных инструментов, спутников, тепловых насосов, осушителей и даже винных шкафов.

Научные принципы, на которых основан эффект Пельтье, довольно сложны, но в целом они работают так: количество энергии, которую электроны несут по проводам при определённом напряжении, различается в зависимости от материалов, из которых сделаны проводники. На спаях методичный ход электронов нарушается, создавая аналог автомобильной пробки. С одной стороны электроны выделяют избыточную энергию, чтобы оказаться в новом проводнике, выделяя тепло в окружающую среду. На противоположном стыке происходит обратный процесс: поскольку электроны вынуждены поглощать окружающую энергию, проводник охлаждается.

Инженеры и учёные достаточно быстро поняли, что эта крайне простая цепь (по сути состоящая из двух типов припаянных друг к другу проводов и источника питания) может выполнять целый ряд функций. При наличии напряжения и двух различных проводников, она позволяет создать электронное устройство для нагрева и охлаждения, в котором нет ни единой подвижной детали.

Сегодня мы научимся использовать термоэлектрический принцип месье Пельтье и соберём подстаканник, способный нагреть или охладить ваш напиток по щелчку пальца.

СБОРКА ПОДСТАКАННИКА ПЕЛЬТЬЕ

Материалы:

- Блок питания, 12V 1,5А
- Болты, М6×60 мм с полной резьбой (4) с гайками
- Шайбы, внутренний диаметр — 6 мм (12)
- Вентилятор охлаждения, 12V, размер 50 × 50 мм
- Радиатор из алюминиевого профиля, примерно 70мм × 70мм × 25мм. Вероятно, вы не найдёте точно такого размера, но всё, что близко, подойдёт.
- Алюминиевые полосы размером 32мм × 12 мм × 5мм (4). Купить листовой алюминий можно в строительном магазине, а обрезать — при помощи ножниц по металлу. Обработайте и закруглите края в целях безопасности.
- Двухпозиционный выключатель
- Корпус, примерно 38мм × 51мм× 64мм
- Провод для подсоединения, площадь сечения 0,32 мм2 с изоляцией, красный и чёрный
- Термоэлектрические модули Пельтье, 40 мм × 40 мм, 12V 6А (2). Модули используют эффект Пельтье для нагрева и охлаждения. Они изготовлены из двух керамических пластин, расположенных по разные стороны массива полупроводников.
- Маленький тюбик термостойкого герметика.

Инструменты:

- Сверло с битами на 12мм и 8мм
- Кусачки для снятия изоляции
- Малые регулируемые гаечные ключи (2) и/или отвертка в соответствии с головками болтов
- Ножницы по металлу
- Напильник

См. схему сборки для всех последующих шагов.

1. Взяв отверстия на корпусе вентилятора за образец, сделайте отметки на плоской стороне алюминиевого радиатора. Просверлите в корпусе радиатора отверстия диаметром 8мм, как показано в схеме.

2. Согните алюминиевые полосы в форму буквы Г и просверлите в каждой отверстие диаметром 8мм. Изгиб нужно будет сформировать, основываясь на размерах вашей ёмкости для напитка. На схеме показано, в каком положении она будет находиться, оказавшись на устройстве.

3. Соедините Г-образные заготовки, радиатор и вентилятор в один блок при помощи болтов 6мм как показано на схеме. Поместите шайбы между головкой болта и Г-образными кронштейнами, вентилятором и радиатором, а также гайкой и вентилятором.

4. Просверлите отверстие для установки выключателя в центре корпуса. Обычно это отверстие имеет диаметр 12 мм, но чтобы убедиться, необходимо измерить диаметр переключателя. Просверлите такое же отверстие на противоположной стенке, чтобы проложить провода согласно схеме.

5. Подключите оба модуля Пельтье к 12-вольтовому блоку питания чтобы отметить, какая сторона охлаждается, а какая — нагревается.

6. Используйте герметик, чтобы присоединить модули Пельтье один поверх другого — горячей стороной вниз, к плоской стороне радиатора, как показано на схеме 2. Сдвоенные модули позволяют достичь более эффективного нагрева и охлаждения, чем одиночные.

7. Используйте кусачки и зачистное устройство, чтобы подключить аппарат согласно приведённой ниже электрической схеме, в которой у выключателя есть 3 положения.
- Когда переключатель в верхнем положении, верхние стороны модулей Пельте охлаждаются.
- Когда переключатель переводится в нижнее положение, верхняя часть элементов будет нагреваться.
- Среднее положение выключает устройство

Приведённая ниже иллюстрация показывает, как выполняются кабельные соединения между клеммами двухпозиционного выключателя.

Соберите корпус. Ваш подстаканник Пельтье готов.

Дерзайте — жгите и охлаждайте

Чтобы использовать подстаканник Пельтье, подсоедините блок питания к розетке и приведите переключатель в верхнее положение. Поднесите руку к поверхности модуля Пельтье, чтобы проверить его на охлаждение. Переместите выключатель в нижнее положение, чтобы убедиться, что модуль нагревается.

ВНИМАНИЕ: поверхность может нагреваться и охлаждаться крайне быстро. Избегайте прямого контакта с поверхностью более, чем на мгновение!!!

Если ваш подстаканник не работает, проверьте соединения и убедитесь, что устройство соединено верно.

Лучше всего подстаканник Пельтье работает с металлическими кружками (как показано на иллюстрации). Наслаждайтесь горячим (или холодным) напитком!