پدیده های ترموالکتریک موضوعی جداگانه در فیزیک است که در آن بررسی می کنند که چگونه دما می تواند الکتریسیته تولید کند و دومی منجر به تغییر دما می شود. یکی از اولین پدیده های ترموالکتریک کشف شده اثر Seebeck بود.
پیش نیازهای باز کردن افکت
در سال 1797، فیزیکدان ایتالیایی، الساندرو ولتا، که در زمینه الکتریسیته تحقیق می کرد، یکی از پدیده های شگفت انگیز را کشف کرد: او کشف کرد که وقتی دو ماده جامد با هم تماس پیدا می کنند، اختلاف پتانسیل در ناحیه تماس ظاهر می شود. به آن اختلاف تماس می گویند. از نظر فیزیکی، این واقعیت به این معنی است که ناحیه تماس مواد غیرمشابه دارای نیروی الکتروموتور (EMF) است که می تواند منجر به ظهور جریان در یک مدار بسته شود. اگر اکنون دو ماده در یک مدار به هم متصل شده باشند (برای ایجاد دو تماس بین آنها)، EMF مشخص شده روی هر یک از آنها ظاهر می شود که از نظر بزرگی یکسان است، اما علامت مخالف است. دومی توضیح می دهد که چرا جریانی تولید نمی شود.
دلیل پیدایش EMF سطح متفاوت فرمی (انرژیحالت های ظرفیت الکترون ها) در مواد مختلف. هنگامی که دومی در تماس است، سطح فرمی کاهش می یابد (در یک ماده کاهش می یابد، در ماده دیگر افزایش می یابد). این فرآیند به دلیل عبور الکترون ها از طریق تماس رخ می دهد که منجر به ظهور یک EMF می شود.
باید فوراً توجه داشت که مقدار EMF ناچیز است (در حد چند دهم ولت).
کشف توماس Seebeck
توماس سیبک (فیزیکدان آلمانی) در سال 1821، یعنی 24 سال پس از کشف اختلاف پتانسیل تماس توسط ولت، آزمایش زیر را انجام داد. او بشقاب بیسموت و مس را به هم وصل کرد و یک سوزن مغناطیسی در کنار آنها گذاشت. در این مورد، همانطور که در بالا ذکر شد، هیچ جریانی رخ نداد. اما به محض اینکه دانشمند شعله مشعل را به یکی از تماس های دو فلز رساند، سوزن مغناطیسی شروع به چرخش کرد.
اکنون می دانیم که نیروی آمپر ایجاد شده توسط هادی حامل جریان باعث چرخش آن شده است، اما در آن زمان سیبک این را نمی دانست، بنابراین به اشتباه فرض کرد که مغناطش القایی فلزات در نتیجه دما رخ می دهد. تفاوت.
توضیح صحیح این پدیده چند سال بعد توسط هانس ارستد فیزیکدان دانمارکی ارائه شد، او اشاره کرد که ما در مورد فرآیند ترموالکتریک صحبت می کنیم و جریانی از مدار بسته می گذرد. با این وجود، اثر ترموالکتریک کشف شده توسط توماس سیبک در حال حاضر نام خانوادگی او را دارد.
فیزیک فرآیندهای در حال انجام
یک بار دیگر برای تحکیم مطالب: ماهیت اثر Seebeck القاء استجریان الکتریکی در نتیجه حفظ دماهای مختلف دو تماس از مواد مختلف که یک مدار بسته را تشکیل می دهند.
برای درک اینکه در این سیستم چه اتفاقی می افتد و چرا جریان در آن شروع به کار می کند، باید با سه پدیده آشنا شوید:
- اولین مورد قبلا ذکر شده است - این برانگیختگی EMF در ناحیه تماس به دلیل همسویی سطوح فرمی است. انرژی این سطح در مواد با افزایش یا کاهش دما تغییر می کند. واقعیت اخیر در صورتی که دو کنتاکت در یک مدار بسته شوند منجر به ظهور جریان می شود (شرایط تعادل در ناحیه تماس فلزات در دماهای مختلف متفاوت خواهد بود).
- فرایند انتقال حامل های شارژ از مناطق گرم به مناطق سرد. اگر به یاد داشته باشیم که الکترون‌های فلزات و الکترون‌ها و حفره‌های نیمه‌رساناها را می‌توان در اولین تقریب گاز ایده‌آل در نظر گرفت، این تأثیر را می‌توان فهمید. همانطور که مشخص است، دومی، هنگامی که در یک حجم بسته گرم می شود، فشار را افزایش می دهد. به عبارت دیگر، در ناحیه تماس، جایی که دما بالاتر است، "فشار" گاز الکترون (حفره) نیز بیشتر است، بنابراین حامل های بار تمایل دارند به مناطق سردتر ماده، یعنی به تماس دیگری بروند.
- در نهایت، پدیده دیگری که منجر به ظهور جریان در اثر Seebeck می شود، برهمکنش فونون ها (ارتعاشات شبکه) با حامل های بار است. این وضعیت مانند یک فونون به نظر می رسد که از یک اتصال گرم به یک اتصال سرد حرکت می کند، به یک الکترون (حفره) برخورد می کند و انرژی اضافی به آن می دهد.
سه فرآیند را مشخص کرددر نتیجه، وقوع جریان در سیستم توصیف شده تعیین می شود.
این پدیده ترموالکتریک چگونه توصیف می شود؟
خیلی ساده، برای این کار پارامتر خاصی S را معرفی می کنند که به آن ضریب Seebeck می گویند. اگر اختلاف دمای تماس برابر با 1 کلوین (درجه سانتیگراد) حفظ شود، این پارامتر نشان می دهد که آیا مقدار EMF القا می شود یا خیر. یعنی می توانید بنویسید:
S=ΔV/ΔT.
در اینجا ΔV EMF مدار (ولتاژ) است، ΔT اختلاف دما بین اتصالات گرم و سرد (مناطق تماس) است. این فرمول تقریباً درست است، زیرا S معمولاً به دما بستگی دارد.
مقادیر ضریب Seebeck به ماهیت مواد در تماس بستگی دارد. با این وجود، به طور قطع می توان گفت که برای مواد فلزی این مقادیر برابر با واحد و ده ها μV/K است، در حالی که برای نیمه هادی ها صدها μV/K است، یعنی نیمه هادی ها دارای مرتبه قدر نیروی ترموالکتریکی بیشتری نسبت به فلزات هستند.. دلیل این واقعیت وابستگی شدیدتر ویژگی های نیمه هادی ها به دما (رسانایی، غلظت حامل های بار) است.
کارایی فرآیند
واقعیت شگفت انگیز انتقال گرما به الکتریسیته فرصت های بزرگی را برای کاربرد این پدیده باز می کند. با این وجود، برای استفاده تکنولوژیکی آن، نه تنها خود ایده مهم است، بلکه ویژگی های کمی نیز مهم است. اول، همانطور که نشان داده شد، emf حاصل بسیار کوچک است. این مشکل را می توان با استفاده از اتصال سری تعداد زیادی هادی (کهدر سلول Peltier انجام می شود، که در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت).
ثانیاً، موضوع راندمان تولید ترموالکتریک است. و این سوال تا به امروز باز است. بازده اثر Seebeck بسیار کم است (حدود 10٪). یعنی از تمام گرمای صرف شده فقط یک دهم آن را می توان برای انجام کارهای مفید استفاده کرد. بسیاری از آزمایشگاه‌ها در سراسر جهان در تلاش هستند تا این کارایی را افزایش دهند که می‌توان با توسعه مواد نسل جدید، به عنوان مثال، با استفاده از فناوری نانو، این کار را انجام داد.
استفاده از افکت کشف شده توسط Seebeck
با وجود کارایی کم، هنوز کاربرد خود را پیدا می کند. در زیر مناطق اصلی آمده است:
- ترموکوپل. اثر Seebeck با موفقیت برای اندازه گیری دمای اجسام مختلف استفاده می شود. در واقع یک سیستم دو کنتاکتی یک ترموکوپل است. اگر ضریب S آن و دمای یکی از انتهای آن مشخص باشد، با اندازه گیری ولتاژی که در مدار ایجاد می شود، می توان دمای سر دیگر را محاسبه کرد. ترموکوپل ها همچنین برای اندازه گیری چگالی انرژی تابشی (الکترومغناطیسی) استفاده می شوند.
- تولید الکتریسیته در کاوشگرهای فضایی. کاوشگرهای پرتاب شده توسط انسان برای کاوش در منظومه شمسی ما یا فراتر از آن، از اثر Seebeck برای تامین انرژی الکترونیک موجود در هواپیما استفاده می کنند. این به لطف یک ژنراتور ترموالکتریک تشعشع انجام می شود.
- کاربرد افکت Seebeck در خودروهای مدرن. بی ام و و فولکس واگن اعلام کردندظهور ژنراتورهای ترموالکتریک در خودروهای آنها که از گرمای گازهای ساطع شده از لوله اگزوز استفاده می کنند.
سایر اثرات ترموالکتریک
سه اثر ترموالکتریک وجود دارد: Seebeck، Peltier، Thomson. ماهیت مورد اول قبلاً در نظر گرفته شده است. در مورد اثر پلتیه، اگر مدار مورد بحث در بالا به یک منبع جریان خارجی متصل باشد، شامل گرم کردن یک کنتاکت و خنک کردن دیگری است. یعنی اثرات Seebeck و Peltier متضاد هستند.
اثر تامسون ماهیت یکسانی دارد، اما بر روی یک ماده در نظر گرفته می شود. ماهیت آن آزاد شدن یا جذب گرما توسط رسانایی است که از طریق آن جریان جریان می یابد و انتهای آن در دماهای مختلف حفظ می شود.
سلول Peltier
وقتی در مورد حق ثبت اختراع برای ماژول‌های ترمو ژنراتور با اثر Seebeck صحبت می‌شود، البته، اولین چیزی که به یاد می‌آورند سلول Peltier است. این یک دستگاه فشرده (4x4x0.4 سانتی متر) است که از یک سری هادی های نوع n و p که به صورت سری به هم متصل شده اند ساخته شده است. شما می توانید آن را خودتان بسازید. جلوه های Seebeck و Peltier در قلب کار او قرار دارند. ولتاژها و جریان هایی که با آن کار می کند کم است (3-5 ولت و 0.5 A). همانطور که در بالا ذکر شد، راندمان کار آن بسیار ناچیز است (≈10%).
برای حل کارهای روزمره مانند گرم کردن یا خنک کردن آب در لیوان یا شارژ مجدد تلفن همراه استفاده می شود.
