اثرترموالکتریکی

از ویکیپدیا، دانشنامهٔ آزاد
المنتپلیته۱۶*۱۶

اثرگرمابرقی(۱)یااثرترموالکتریکتبدیلمستقیماختلافدمابهولتاژالکتریکییا برعکس آن توسطترموکوپلاست(۲).یکدستگاهترموالکتریکوسیلهایاستکهدرصورتوجوداختلافدمادردوسرآن،یکاختلافپتانسیلپدیدمیآورد。متقابلا،درصورتاعمالولتاژبهدوسرآن،حرارتازسمتیبهسمتدیگرحرکتمیکندواختلافدماایجادمیشود。درابعاداتمی،گرادیاندمایاعمال شده سبب میشود تاحاملهایباردر ماده از قسمت گرم به قسمت سرد حرکت کنند。

ایناثردرتولیدالکتریسیتهومحاسبهدمایاجسامیاتغییردمایشانکاربرددارد。چونجهتگرمشدنوسردشدنباقطبشولتاژاعمالشدهرابطهیمستقیمیدارد،دستگاههایترموالکتریکمیتوانندبهعنوانکنترلگرهایدمانیزبهکارروند。

عبارتاثرترموالکتریکشاملسهاثرشناختهشدهمجزااست:اثرسیبِک،اثرپلتیهواثرتامسون

اثرسیبکوپلتیهبیانهایمتفاوتازیکفرایندفیزیکییکسانهستند؛ممکناستازاینفرایندفیزیکیدرکتابهابهعنواناثرزبک——پلتیریادشود。(جداییایندواثرناشیازکشفهایمستقلتوسطفیزیکدانفرانسویژان شارل آتاناز پلتیهوفیزیکدانآلمانیتوماسیوهانسیبکاست)。اثرتامسونتعمیمیازاثرپلتیر——سیبکمیباشدکهتوسطلردکلویناعتباریافتهاست。

گرمایشژول،گرماییکهدرزمانعبورجریانازیکمقاومتایجادمیشودبهطورکلیاثرترموالکتریکنامیدهنمیشود。اثرهای پلتیه-زبک و تامسون از نظز ترمودینامیکیبازگشتپذیرهستند(۳)، حال آنکه گرمای ژول بازگشتپذیر نمیباشد。

اثرسیبِکویرایش

اثر سیبِک بیانگر اختلافپتانسیلالکتریکیاست که در نتیجهگرادیاندما به وجود می آید。برایدومادهمختلف،ترموکوپلاختلافپتانسیلدوقسمتسردوگرمرامحاسبهمیکند。ایناختلافپتانسیلبااختلافدمایدونقطهازدوماده،رابطهیمستقیمدارد。آلساندروولتادانشمندایتالیاییاولینکسیبودکهبهاینمفهومدرسال1794پیبرد(۴).نامایناثربرگرفتهازنامفیزیکدانیآلمانیبهنامتوماسیوهانسیبکاست که در سال 1821 این اثر را مجدداً کشف کرد(۵).اومشاهدهکردکهدریکمداربستهشاملدوفلزمتفاوتبااختلافدما،سوزنقطبنمامنحرفمیشود。اینبهدلیلتفاوتسطحانرژیالکترونهادرموادمختلفاستکهمنجربهایجاداختلافپتانسیلو در نتیجه جریان الکتریکی ومیدانمغناطیسیمیشود。سیبِکمتوجهوجودجریانالکتریکینشدوبههمیندلیلنامایناثررا”مغناطیسحرارتی”گذاشت。فیزیکداندانمارکیهانسکریستیناورستدبودکهنامایناثررااصلاحکرد。

اثر سیبِک یک مثال کلاسیک ازنیرویمحرکهالکتریکیاستکهمنجربهاندازهگیریولتاژوجریانبههمانشیوهمیشود。چگالیجریانوابسته به موقعیت به شکل زیر محاسبه می شود:

در این فرمول، v ولتاژ محل مورد نظر وهدایتالکتریکیاست。بهطورکلیمیتواناثرسیبِکراباتولیدیکمیدانمحرکهیالکتریکیتعریفکرد:

دراینفرمول،年代ضریبسیبک،یکیازویژگیهایمادهموردنظر،وگرادیاندمااست。


اثرپِلتیِهویرایش

وقتییکجریانالکتریکیدرطولیکمدارترموکوپلجاریمیشود،حرارتازیکسوخارجشدهوبهسویدیگرجذبمیشود。اثرپلتیهحضورگرمایاسرمادریکنقطهاتصالالکتریکیبیندوهادیاستکهدرسال1834توسطفیزیکدانفرانسویژان شارل آتاناز پلتیهمشاهدهشد(۶).وقتیکهجریانبیندوهادیوBمتصلبههمعبورمیکند،حرارتدریکمحلاتصالممکناستایجادشدهویاازیکمحلاتصالراندهشود。حرارتپلتیهتولیدشدهدرهرواحدزمانیبرابراستبا:

دراینفرمول،وضرایت پلتیه رساناهای a و b هستند وجریانالکتریکیاست。کلحرارتایجادشدهتنهاتوسطاثرپلتیهمحاسبهنمیشود،بلکهاینحرارتمتأثرازگرمایشژولوتاثیراتگرادیانحرارتینیزهست。

ضرایبپلتیهبیانگراینهستندکههرواحدبارالکتریکیچهمقدارحرارتراحملمیکند。ازآنجاکهجریانبارالکتریکیبایددریکمحلاتصالتداومداشتهباشد،جریانحرارتمرتبطباآنموجبیکناپیوستگیمیشوداگرومتفاوتباشند。ارتباطنزدیکبیناثرسیبِکوپلتیهازارتباطمستقیمبینضرایبآنهانیزمشخصاست:


یکپمپحرارتیمعمولپلتیه،حاوینقاطاتصالسریمتعددیاستکهازآنجریانمیگذرد。برخیازایننقاطباتوجهبهاثرپلتیهحرارتازدستمیدهند،درحالیکهنقاطدیگرحرارتدریافتمیکنند。پمپهایحرارتیترموالکتریکازاینخاصیتبهرهمیبرند،همانطورکهخنککنندهترموالکتریکدریخچالهاازاینویژگیاستفادهمیکنند。

اثرتامسونویرایش

درموادمختلف،ضریبسیبِکدردماهایمختلفیکساننیست،وگرادیانفضاییدردمامیتواندمنجربهایجادگرادیاندرضریبسیبِکشود。حالاگر،جریانیوارداینگرادیانشود،اثرپلتیهبهطورمداوماتفاقمیافتد。اثر تامسون در سال 1851 توسطویلیام تامسون، نخستین بارون کلوینپیش بینی و مشاهده شد。ایناثرسرمایشوگرمایشیکهادیحاملجریانراباگرادیاندماتوصیفمیکند。

اگرجریانازیکرسانایهمگنعبورکند،اثرتامسوننرختولیدگرمادرواحدحجمراپیشبینیمیکند:

دراینفرمولگرادیاندماوضریب اثر تامسون است。رابطه ضریب تامسون و ضریب سیبِک به صورتاست。در این رابطه ازگرمایشژولو هدایت حرارتی صرف نظر شده است。


کاربردهاویرایش

ژنراتورهایحرارتی——الکتریکیویرایش

اثر سیبِک در ژنراتورهای ترموالکتریک همانندموتورهایحرارتیعملمیکند。اینژنراتورهابهنسبتموتورهایحرارتیکمحجمتر،گرانتربابهرهوریکمتریهستندوهیچقسمتمتحرکیندارند。درنیروگاههامعمولاازایندستهازژنراتورهابرایبازیافتانرژیوتبدیلحرارتبلااستفادهتولیدشدهبهانرژیالکتریکیاستفادهمیشود。دراتومبیلهانیزژنراتورترموالکتریکبرایافزایشبهرهوریسوختبهکارمیرود。

اثرپلتیهویرایش

اثرپلتیهمیتوانددریخچالوفریزرهابهجایاستفادهازسیالهایدرگردشویاهرگونهقسمتمتحرکبهکاررود。چنینیخچالوفریزرهاییدرکاربردهاییمفیدهستندکهمزایایآنهانسبتبهراندمانبسیارپایینآنهاارجحیتدارد。

اندازهگیریدماویرایش

ترموکوپلهاوترموپایلهادستگاههاییهستندکهازاثرسیبِکبرایاندازهگیریاختلافدمایبیندوجسماستفادهمیکنند。ترموکوپلهامعمولابرایاندازهگیریدمایبالا،حفظدماییکنقطهاتصالویااندازهگیریآناستفادهمیشوند。ترموپایلهاازمجموعهایسِریازترموکوپلهاتشکیلشدهاندکهبرایاندازهگیریتغییراتدماییبسیارجزییمورداستفادهقرارمیگیرند。


منابعویرایش

  1. «اثرگرمابرقی»[فیزیک]همارزِ«热电效应»؛منبع:گروهواژهگزینی.جوادمیرشکاری،ویراستار。دفتراول.فرهنگ واژههای مصوب فرهنگستان。تهران:انتشاراتفرهنگستان زبان و ادب فارسیشابک۹۶۴——۷۵۳۱——۳۱——۱(ذیلسرواژهٔاثرگرمابرقی
  2. 《佩尔蒂尔效应和热电冷却》ffden - 2. phys.uaf.edu.دریافتشدهدر۲۰۲۰——۰۷——۲۴
  3. (作者)。《热电制冷与发电》科学285(5428): 703 - 706。doi10.1126 / science.285.5428.703石头0036 - 8075PMID10426986
  4. 克利斯朵夫Goupil。تئوری زنجیره و مدلسازی عناصر ترموالکتریکی.John Wiley & Sons, 2016。
  5. "Abhandlungen der Königlichen柏林科学学院,1822-1823 1822-1823"HathiTrust.检索2020-07-24
  6. سالنامه های فیزیک و شیمی(بهفرانسوی)。