اثر ترموالکتریکی

اثر ترموالکتریک
(تغییرمسیر از اثر ترموالکتریک)

اثر گرمابرقی[۱] یا اثر ترموالکتریک تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی یا برعکس آن توسط ترموکوپل است[۲]. یک دستگاه ترموالکتریک وسیله‌ای است که در صورت وجود اختلاف دما در دو سر آن، یک اختلاف پتانسیل پدید می‌آورد. متقابلا، در صورت اعمال ولتاژ به دو سر آن، حرارت از سمتی به سمت دیگر حرکت می کند و اختلاف دما ایجاد می‌شود. در ابعاد اتمی، گرادیان دمای اعمال شده سبب می‌شود تا حامل‌های بار در ماده از قسمت گرم به قسمت سرد حرکت کنند.

المنت پلیته ۱۶*۱۶

این اثر در تولید الکتریسیته و محاسبه دمای اجسام یا تغییر دمایشان کاربرد دارد. چون جهت گرم شدن و سرد شدن با قطبش ولتاژ اعمال شده رابطه ی مستقیمی دارد، دستگاه‌های ترموالکتریک می توانند به عنوان کنترلگر های دما نیز به کار روند.

عبارت اثر ترموالکتریک شامل سه اثر شناخته شده مجزا است: اثر سیبِک، اثر پلتیه و اثر تامسون.

اثر سیبک و پلتیه بیان‌های متفاوت از یک فرایند فیزیکی یکسان هستند؛ ممکن است از این فرایند فیزیکی در کتاب‌ها به عنوان اثر زبک-پلتیر یاد شود.(جدایی این دو اثر ناشی از کشف‌های مستقل توسط فیزیکدان فرانسوی ژان شارل آتاناز پلتیه و فیزیکدان آلمانی توماس یوهان سیبک است). اثر تامسون تعمیمی از اثر پلتیر-سیبک می‌باشد که توسط لرد کلوین اعتبار یافته است.

گرمایش ژول، گرمایی که در زمان عبور جریان از یک مقاومت ایجاد می شود به‌طور کلی اثر ترموالکتریک نامیده نمی شود. اثرهای پلتیه-زبک و تامسون از نظز ترمودینامیکی بازگشت‌پذیر هستند[۳]، حال آنکه گرمای ژول بازگشت‌پذیر نمی‌باشد.

اثر سیبِکویرایش

اثر سیبِک بیانگر اختلاف پتانسیل الکتریکی است که در نتیجه گرادیان دما به وجود می آید. برای دو ماده مختلف، ترموکوپل اختلاف پتانسیل دو قسمت سرد و گرم را محاسبه می کند. این اختلاف پتانسیل با اختلاف دمای دو نقطه از دو ماده، رابطه ی مستقیم دارد. آلساندرو ولتا دانشمند ایتالیایی اولین کسی بود که به این مفهوم در سال 1794 پی برد[۴]. نام این اثر برگرفته از نام فیزیکدانی آلمانی به نام توماس یوهان سیبک است که در سال 1821 این اثر را مجدداً کشف کرد[۵]. او مشاهده کرد که در یک مدار بسته شامل دو فلز متفاوت با اختلاف دما، سوزن قطب نما منحرف می شود. این به دلیل تفاوت سطح انرژی الکترون ها در مواد مختلف است که منجر به ایجاد اختلاف پتانسیل و در نتیجه جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی می شود. سیبِک متوجه وجود جریان الکتریکی نشد و به همین دلیل نام این اثر را "مغناطیس حرارتی" گذاشت. فیزیکدان دانمارکی هانس کریستین اورستد بود که نام این اثر را اصلاح کرد.

اثر سیبِک یک مثال کلاسیک از نیروی محرکه الکتریکی است که منجر به اندازه گیری ولتاژ و جریان به همان شیوه می شود. چگالی جریان وابسته به موقعیت به شکل زیر محاسبه می شود:

 

در این فرمول، V ولتاژ محل مورد نظر و   هدایت الکتریکی است. به طور کلی می توان اثر سیبِک را با تولید یک میدان محرکه ی الکتریکی تعریف کرد:

 

در این فرمول، S ضریب سیبک، یکی از ویژگی های ماده مورد نظر، و   گرادیان دما است.


اثر پِلتیِهویرایش

وقتی یک جریان الکتریکی در طول یک مدار ترموکوپل جاری می شود، حرارت از یک سو خارج شده و به سوی دیگر جذب می شود. اثر پلتیه حضور گرما یا سرما در یک نقطه اتصال الکتریکی بین دو هادی است که در سال 1834 توسط فیزیکدان فرانسوی ژان شارل آتاناز پلتیه مشاهده شد[۶]. وقتی که جریان بین دو هادی A و B متصل به هم عبور می کند، حرارت در یک محل اتصال ممکن است ایجاد شده و یا از یک محل اتصال رانده شود. حرارت پلتیه تولید شده در هر واحد زمانی برابر است با:

 

در این فرمول،   و   ضرایت پلتیه رساناهای A و B هستند و   جریان الکتریکی است. کل حرارت ایجاد شده تنها توسط اثر پلتیه محاسبه نمی شود، بلکه این حرارت متأثر از گرمایش ژول و تاثیرات گرادیان حرارتی نیز هست.

ضرایب پلتیه بیانگر این هستند که هر واحد بار الکتریکی چه مقدار حرارت را حمل می کند. از آنجا که جریان بار الکتریکی باید در یک محل اتصال تداوم داشته باشد ، جریان حرارت مرتبط با آن موجب یک ناپیوستگی می شود اگر   و   متفاوت باشند. ارتباط نزدیک بین اثر سیبِک و پلتیه از ارتباط مستقیم بین ضرایب آن ها نیز مشخص است:  .


یک پمپ حرارتی معمول پلتیه، حاوی نقاط اتصال سری متعددی است که از آن جریان می گذرد. برخی از این نقاط با توجه به اثر پلتیه حرارت از دست می دهند، درحالی که نقاط دیگر حرارت دریافت می کنند. پمپ های حرارتی ترموالکتریک از این خاصیت بهره می برند، همانطور که خنک‌کننده ترموالکتریک در یخچال ها از این ویژگی استفاده می کنند.

اثر تامسونویرایش

در مواد مختلف، ضریب سیبِک در دماهای مختلف یکسان نیست، و گرادیان فضایی در دما می تواند منجر به ایجاد گرادیان در ضریب سیبِک شود. حال اگر، جریانی وارد این گرادیان شود، اثر پلتیه به طور مداوم اتفاق می افتد. اثر تامسون در سال 1851 توسط ویلیام تامسون، نخستین بارون کلوین پیش بینی و مشاهده شد. این اثر سرمایش و گرمایش یک هادی حامل جریان را با گرادیان دما توصیف می کند.

اگر جریان   از یک رسانای همگن عبور کند، اثر تامسون نرخ تولید گرما در واحد حجم را پیش بینی می کند:

 

در این فرمول   گرادیان دما و   ضریب اثر تامسون است. رابطه ضریب تامسون و ضریب سیبِک به صورت   است. در این رابطه از گرمایش ژول و هدایت حرارتی صرف نظر شده است.


کاربردهاویرایش

ژنراتورهای حرارتی-الکتریکیویرایش

اثر سیبِک در ژنراتورهای ترموالکتریک همانند موتورهای حرارتی عمل می کند. این ژنراتورها به نسبت موتورهای حرارتی کم حجم تر، گران تر با بهره وری کمتری هستند و هیچ قسمت متحرکی ندارند. در نیروگاه ها معمولا ازاین دسته از ژنراتورها برای بازیافت انرژی و تبدیل حرارت بلااستفاده تولید شده به انرژی الکتریکی استفاده می شود. در اتومبیل ها نیز ژنراتور ترموالکتریک برای افزایش بهره وری سوخت به کار می رود.

اثر پلتیهویرایش

اثر پلتیه می تواند در یخچال و فریزرها به جای استفاده از سیال های در گردش و یا هرگونه قسمت متحرک به کار رود. چنین یخچال و فریزرهایی در کاربردهایی مفید هستند که مزایای آنها نسبت به راندمان بسیار پایین آنها ارجحیت دارد.

اندازه گیری دماویرایش

ترموکوپل ها و ترموپایل ها دستگاه هایی هستند که از اثر سیبِک برای اندازه گیری اختلاف دمای بین دو جسم استفاده می کنند. ترموکوپل ها معمولا برای اندازه گیری دمای بالا، حفظ دمای یک نقطه اتصال و یا اندازه گیری آن استفاده می شوند. ترموپایل ها از مجموعه ای سِری از ترموکوپل ها تشکیل شده اند که برای اندازه گیری تغییرات دمایی بسیار جزیی مورد استفاده قرار می گیرند.


جستارهای وابستهویرایش

منابعویرایش

  1. «اثر گرمابرقی» [فیزیک] هم‌ارزِ «thermoelectric effect»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. جواد میرشکاری، ویراستار. دفتر اول. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی. شابک ۹۶۴-۷۵۳۱-۳۱-۱ (ذیل سرواژهٔ اثر گرمابرقی)
  2. «The Peltier Effect and Thermoelectric Cooling». ffden-2.phys.uaf.edu. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۰۷-۲۴.
  3. DiSalvo, Francis J. (1999-07-30). "Thermoelectric Cooling and Power Generation". Science. 285 (5428): 703–706. doi:10.1126/science.285.5428.703. ISSN 0036-8075. PMID 10426986.
  4. Christophe Goupil. تئوری زنجیره و مدلسازی عناصر ترموالکتریکی. John Wiley & Sons, 2016.
  5. "Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin. 1822-1823 1822-1823". HathiTrust. Retrieved 2020-07-24.
  6. سالنامه های فیزیک و شیمی (به فرانسوی).