الظواهر الكهروحرارية هي موضوع منفصل في الفيزياء ، حيث يأخذون في الاعتبار كيف يمكن لدرجة الحرارة أن تولد الكهرباء ، وهذا الأخير يؤدي إلى تغيير في درجة الحرارة. كان تأثير سيبيك من أوائل الظواهر الكهروحرارية المكتشفة.
المتطلبات الأساسية لفتح التأثير
في عام 1797 ، اكتشف الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا ، أثناء إجراء بحث في مجال الكهرباء ، إحدى الظواهر المذهلة: اكتشف أنه عندما تتلامس مادتان صلبتان ، يظهر فرق جهد في منطقة التلامس. يطلق عليه فرق الاتصال. فيزيائيًا ، تعني هذه الحقيقة أن منطقة التلامس للمواد غير المتشابهة لها قوة دافعة كهربائية (EMF) يمكن أن تؤدي إلى ظهور تيار في دائرة مغلقة. إذا تم توصيل مادتين الآن في دائرة واحدة (لتشكيل جهتي اتصال بينهما) ، فسيظهر EMF المحدد على كل منهما ، والذي سيكون هو نفسه من حيث الحجم ، ولكن في الاتجاه المعاكس. يوضح الأخير سبب عدم إنشاء تيار.
سبب ظهور المجالات الكهرومغناطيسية هو اختلاف مستوى فيرمي (الطاقةحالات التكافؤ للإلكترونات) في مواد مختلفة. عندما يتلامس الأخير ، ينخفض مستوى فيرمي (في مادة واحدة يتناقص ، في مادة أخرى يزداد). تحدث هذه العملية بسبب مرور الإلكترونات من خلال التلامس ، مما يؤدي إلى ظهور EMF.
وتجدر الإشارة على الفور إلى أن قيمة EMF لا تذكر (بترتيب بضعة أعشار من الفولت).
اكتشاف توماس سيبيك
أجرى توماس سيبيك (الفيزيائي الألماني) في عام 1821 ، أي بعد 24 عامًا من اكتشاف فرق جهد التلامس بواسطة فولت ، التجربة التالية. قام بتوصيل صفيحة من البزموت والنحاس ، ووضع إبرة مغناطيسية بجانبهما. في هذه الحالة ، كما ذكر أعلاه ، لم يحدث أي تيار. ولكن بمجرد أن أحضر العالم شعلة الموقد إلى أحد ملامسات المعدنين ، بدأت الإبرة المغناطيسية في الدوران.
الآن نحن نعلم أن قوة الأمبير الناتجة عن الموصل الحامل للتيار تسببت في دورانه ، ولكن في ذلك الوقت لم يعرف سيبيك ذلك ، لذلك افترض خطأً أن المغناطيسية المستحثة للمعادن تحدث نتيجة لدرجة الحرارة الفرق
التفسير الصحيح لهذه الظاهرة قدّمه الفيزيائي الدنماركي هانز أورستد بعد سنوات قليلة ، وأشار إلى أننا نتحدث عن عملية كهروحرارية ، ويتدفق التيار عبر دائرة مغلقة. ومع ذلك ، فإن التأثير الكهروحراري الذي اكتشفه توماس سيبيك يحمل حاليًا اسمه الأخير.
فيزياء العمليات الجارية
مرة أخرى لدمج المادة: جوهر تأثير Seebeck هو الحثالتيار الكهربائي نتيجة الحفاظ على درجات حرارة مختلفة لملامسين من مواد مختلفة والتي تشكل دائرة مغلقة.
لفهم ما يحدث في هذا النظام ، ولماذا يبدأ التيار في الجري فيه ، يجب أن تتعرف على ثلاث ظواهر:
- تم ذكر أول واحد بالفعل - هذا هو إثارة المجال الكهرومغناطيسي في منطقة الاتصال بسبب محاذاة مستويات فيرمي. تتغير طاقة هذا المستوى في المواد مع ارتفاع درجة الحرارة أو انخفاضها. ستؤدي الحقيقة الأخيرة إلى ظهور تيار إذا تم إغلاق جهتي اتصال في دائرة (ستكون ظروف التوازن في منطقة ملامسة المعادن عند درجات حرارة مختلفة مختلفة).
- عملية نقل ناقلات الشحنة من المناطق الساخنة إلى المناطق الباردة. يمكن فهم هذا التأثير إذا تذكرنا أن الإلكترونات في المعادن والإلكترونات والثقوب في أشباه الموصلات يمكن ، في التقريب الأول ، اعتبارها غازًا مثاليًا. كما هو معروف ، فإن الأخير ، عند تسخينه في حجم مغلق ، يزيد الضغط. بمعنى آخر ، في منطقة التلامس ، حيث تكون درجة الحرارة أعلى ، يكون "ضغط" غاز (ثقب) الإلكترون أعلى أيضًا ، لذلك تميل حاملات الشحنة إلى الانتقال إلى المناطق الأكثر برودة من المادة ، أي إلى جهة اتصال أخرى.
- أخيرًا ، هناك ظاهرة أخرى تؤدي إلى ظهور التيار في تأثير سيبيك وهي تفاعل الفونونات (اهتزازات الشبكة) مع حاملات الشحنة. يشبه الموقف فونون ، ينتقل من تقاطع ساخن إلى تقاطع بارد ، "يضرب" إلكترونًا (ثقبًا) ويضفي عليه طاقة إضافية.
تم وضع علامة على ثلاث عملياتنتيجة لذلك ، يتم تحديد حدوث التيار في النظام الموصوف.
كيف توصف هذه الظاهرة الكهروحرارية؟
بسيط جدًا ، لذلك أدخلوا متغيرًا معينًا S ، يسمى معامل سيبيك. توضح المعلمة ما إذا كانت قيمة EMF مستحثة إذا تم الحفاظ على فرق درجة حرارة التلامس مساوياً لـ 1 كلفن (درجة مئوية). أي يمكنك كتابة:
S=V / T.
هنا ΔV هو EMF للدائرة (الجهد) ، ΔT هو فرق درجة الحرارة بين الوصلات الساخنة والباردة (مناطق التلامس). هذه الصيغة صحيحة تقريبًا ، لأن S بشكل عام تعتمد على درجة الحرارة.
تعتمد قيم معامل سيبك على طبيعة المواد الملامسة. ومع ذلك ، يمكننا أن نقول بالتأكيد أنه بالنسبة للمواد المعدنية ، فإن هذه القيم تساوي وحدات وعشرات μV / K ، بينما بالنسبة لأشباه الموصلات فهي مئات μV / K ، أي أن أشباه الموصلات لها قوة حرارية أكبر من المعادن.. سبب هذه الحقيقة هو الاعتماد الأقوى لخصائص أشباه الموصلات على درجة الحرارة (التوصيلية ، تركيز حاملات الشحنة).
كفاءة العملية
الحقيقة المفاجئة المتمثلة في انتقال الحرارة إلى كهرباء تفتح فرصًا كبيرة لتطبيق هذه الظاهرة. ومع ذلك ، من أجل استخدامها التكنولوجي ، ليس فقط الفكرة نفسها مهمة ، ولكن أيضًا الخصائص الكمية. أولاً ، كما هو موضح ، فإن emf الناتج صغير جدًا. يمكن التحايل على هذه المشكلة باستخدام اتصال متسلسل لعدد كبير من الموصلات (والتييتم إجراؤه في خلية بلتيير ، والتي سيتم مناقشتها أدناه).
ثانيًا ، إنها مسألة كفاءة توليد الطاقة الحرارية. ويبقى هذا السؤال مفتوحًا حتى يومنا هذا. كفاءة تأثير سيبيك منخفضة للغاية (حوالي 10٪). أي أنه من بين كل الحرارة المنفقة ، يمكن استخدام عُشرها فقط لأداء عمل مفيد. تحاول العديد من المعامل حول العالم زيادة هذه الكفاءة ، والتي يمكن القيام بها عن طريق تطوير مواد الجيل الجديد ، على سبيل المثال ، باستخدام تقنية النانو.
باستخدام التأثير الذي اكتشفه Seebeck
على الرغم من الكفاءة المنخفضة ، إلا أنها لا تزال تجد استخدامها. فيما يلي المجالات الرئيسية:
- الحرارية. تم استخدام تأثير Seebeck بنجاح لقياس درجات حرارة الأجسام المختلفة. في الواقع ، نظام التلامسين هو مزدوج حراري. إذا كان معاملها S ودرجة حرارة أحد الأطراف معروفين ، فعند قياس الجهد الذي يحدث في الدائرة ، يمكن حساب درجة حرارة الطرف الآخر. تستخدم المزدوجات الحرارية أيضًا لقياس كثافة الطاقة المشعة (الكهرومغناطيسية).
- توليد الكهرباء في المسابير الفضائية. تستخدم المجسات التي يطلقها الإنسان لاستكشاف نظامنا الشمسي أو ما بعده تأثير Seebeck لتشغيل الإلكترونيات الموجودة على متنها. يتم ذلك بفضل مولد كهربائي حراري إشعاعي.
- تطبيق تأثير سيبيك في السيارات الحديثة. أعلنت BMW و Volkswagenظهور مولدات كهروحرارية في سياراتهم تستخدم حرارة الغازات المنبعثة من أنبوب العادم.
تأثيرات كهروحرارية أخرى
هناك ثلاثة تأثيرات كهروحرارية: سيبيك ، بلتيير ، طومسون. تم بالفعل النظر في جوهر الأول. أما بالنسبة لتأثير بلتيير ، فيتمثل في تسخين جهة اتصال واحدة وتبريد جهة أخرى ، إذا كانت الدائرة التي تمت مناقشتها أعلاه متصلة بمصدر تيار خارجي. أي أن تأثيرات سيبيك وبلتيير معاكسة.
تأثير طومسون له نفس الطبيعة ، لكنه يعتبر على نفس المادة. جوهرها هو إطلاق أو امتصاص الحرارة بواسطة موصل يتدفق من خلاله التيار ويتم الحفاظ على نهاياته عند درجات حرارة مختلفة.
خلية بلتيير
عند الحديث عن براءات اختراع لوحدات المولدات الحرارية ذات تأثير سيبيك ، فإن أول شيء يتذكرونه بالطبع هو خلية بلتيير. إنه جهاز مضغوط (4x4x0.4 سم) مصنوع من سلسلة من الموصلات من النوع n و p المتصلة في سلسلة. يمكنك ان تجعل من نفسك. تقع تأثيرات سيبيك وبلتيير في صميم عملها. الفولتية والتيارات التي تعمل بها صغيرة (3-5 فولت و 0.5 أ). كما ذكرنا سابقاً كفاءة عملها صغيرة جداً (10٪)
يتم استخدامه لحل المهام اليومية مثل تسخين أو تبريد المياه في كوب أو إعادة شحن الهاتف المحمول.
