Как работает электрокалорический эффект и можно ли охлаждать материал электрическим полем

Охлаждение обычно связывают с компрессором, хладагентом и движущимися деталями. Но некоторые диэлектрические материалы способны немного нагреваться или охлаждаться только из-за изменения электрического поля. Это явление называют электрокалорическим эффектом. Оно интересно как основа компактных систем управления температурой без привычного цикла сжатия газа.

Почему электрическое поле меняет температуру

В полярных диэлектриках внутри материала существуют электрические диполи — области или структурные элементы с положительной и отрицательной сторонами. Без сильного внешнего поля их ориентация может быть сравнительно беспорядочной. Электрическое поле стремится выстроить диполи более упорядоченно.

Упорядочивание связано с энтропией материала. Если поле включить достаточно быстро и не дать образцу обменяться теплом с окружающей средой, уменьшение беспорядка в электрической подсистеме сопровождается изменением теплового движения решётки. Температура материала повышается. При снятии поля процесс может пойти в обратную сторону и вызвать охлаждение.

Эффект не означает, что электричество напрямую «создаёт холод». Для полезного холодильного цикла нужно последовательно менять поле и организовывать теплообмен с горячей и холодной сторонами.

Как из небольшого изменения температуры получается охлаждение

Один электрокалорический элемент обычно меняет температуру на ограниченную величину. Чтобы переносить тепло непрерывно, его включают в цикл. Сначала поле повышают, материал нагревается и отдаёт часть тепла горячей стороне. Затем тепловой контакт меняют, поле уменьшают, материал охлаждается и может принять тепло от холодной стороны.

• электрическое поле переводит полярную структуру в более упорядоченное состояние;
• при быстром включении поля температура активного слоя изменяется;
• тепло отводят к горячей стороне системы;
• после снятия поля материал охлаждается;
• цикл повторяют, организуя направленный перенос тепла.

В реальной конструкции важны не только свойства активного вещества. Нужны электроды, хорошая изоляция, эффективный теплообмен и способ быстро переключать тепловой контакт. Если тепло плохо уходит, полезный температурный перепад быстро теряется.

Какие материалы дают заметный эффект

Электрокалорический отклик особенно изучают в сегнетоэлектрических керамиках, тонких плёнках и некоторых полимерах. В таких веществах поляризация сильно зависит от электрического поля и температуры. Возле фазовых переходов изменение состояния может быть особенно выраженным.

Тонкие слои привлекательны тем, что способны выдерживать высокую напряжённость поля при сравнительно небольшом приложенном напряжении. Кроме того, малая толщина помогает быстрее передавать тепло. Однако лабораторный образец с большим эффектом ещё не является готовым холодильником: площадь, электрическая прочность и долговечность становятся отдельными инженерными задачами.

Керамические материалы могут обеспечивать быстрый отклик, но требуют контроля дефектов и механических напряжений. Полимеры гибче и позволяют создавать другие геометрии, зато их рабочие режимы и тепловые свойства отличаются. Универсального электрокалорического материала для всех задач пока нет.

Чем такой принцип отличается от эффекта Пельтье

Электрокалорическое охлаждение иногда путают с термоэлектрическим модулем Пельтье. В модуле Пельтье через соединения материалов постоянно проходит электрический ток, который переносит тепло от одной стороны к другой. Электрокалорический материал реагирует прежде всего на изменение электрического поля и собственной поляризации.

Из-за этого архитектура устройств различается. Электрокалорической системе требуется циклически менять поле и организовывать обмен теплом на разных этапах. Она потенциально может обходиться без компрессора и газообразного хладагента, но всё равно нуждается в управляющей электронике и тепловой конструкции.

Нельзя оценивать эффективность только по максимальному изменению температуры образца. Важны затраты электрической энергии, диэлектрические потери, скорость цикла, утечки тепла и энергия вспомогательных элементов.

Что мешает заменить обычный холодильник

Для сильного электрокалорического эффекта часто требуется высокая напряжённость электрического поля. Это повышает требования к изоляции и чистоте материала: локальный дефект способен привести к электрическому пробою. Повторные циклы также могут постепенно менять свойства активного слоя.

Ещё одна задача — быстро отводить и принимать тепло. Если активный материал меняет температуру за короткое время, а теплообменник реагирует медленно, преимущество высокой скорости теряется. Поэтому исследователи работают не только над составами, но и над многослойными структурами и регенеративными схемами переноса тепла.

Электрокалорический эффект показывает необычную связь электрического порядка и температуры. Поле перестраивает диполи, материал отвечает тепловым изменением, а правильно организованный цикл превращает это изменение в перенос тепла. Технология не отменяет законы термодинамики, но предлагает другой путь к компактному твердотельному охлаждению.