اثر ترموالکتریک چیست؟

پدیده یا اثر ترموالکتریک چیست؟ مولد Thermoelectric، به تبدیل برگشت پذیر انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی اشاره دارد. به عبارتی پدیده ترموالکتریک، پدیده ای است که در آن می توان الکتریسیته را از گرما و گرما را از الکتریسیته استخراج کرد.
در اینجا به توضیح پدیده های فیزیکی مربوط به تبدیل ترموالکتریک می پردازیم. این اثر را می توان به طور کلی به سه بخش تقسیم بندی کرد: اثر Seebeck، اثر Peltier و اثر Thomson. علاوه بر این، این اثرات در فلزات مختلف در مقایسه با اثرات در نیمه هادی ها بسیار ناچیز است.

بیشتر بخوانید: سنسور دما ترموکوپل چیست؟

اثر سیبک (Seebeck Effect)

اثر سیبک (Seebeck Effect)، اثری است که وقتی یک اختلاف دما در هر دو انتهای یک ماده اعمال می‌ گردد، یک اختلاف پتانسیل (نیروی محرکه الکتریکی) بین انتهای آن ایجاد می‌شود. این اثر Seebeck در همه مواد رخ می دهد، اما مقدار نیروی الکتروموتور بسته به ماده متفاوت است. به طور خاص، مواد نیمه هادی نیروی محرکه الکتریکی زیادی دارند و به طور فعال به عنوان مواد تبدیل ترموالکتریک در حال تحقیق هستند. در ادامه، اصل اثر Seebeck را توضیح خواهیم داد.

هنگامی که یک ماده گرم می شود، حامل ها (الکترون هایی با بار منفی یا سوراخ هایی با بار مثبت) تولید می شوند. از طرف دیگر، از آنجایی که تقریباً هیچ حاملی در انتهای سرد شده تولید نمی شود، تعادل چگالی حامل مختل می شود و حامل ها از انتهای گرم شده به انتهای سرد شده جریان می یابند. با این حال، هنگامی که مقدار مشخصی از حامل ها در انتهای خنک کننده جمع می شوند، حرکت بیشتر حامل غیرممکن می شود.

از سوی دیگر، دنباله حامل هایی که در انتهای گرمایش به بیرون می ریزند دارای باری با علامت مخالف حامل ها هستند، بنابراین یک اختلاف پتانسیل بین انتهای گرمایش و انتهای خنک کننده رخ می دهد. این اثر Seebeck است. در این حالت می توان با اتصال انتهای گرمایش و خنک کننده با یک هادی و اعمال بار، الکتریسیته استخراج کرد.
اگر اختلاف پتانسیل در این زمان V باشد و اختلاف دما بین انتهای گرمایش و انتهای خنک کننده ΔT باشد، این دو V = α ΔT یک رابطه متناسب وجود دارد. در اینجا ثابت تناسب α ضریب Seebeck نامیده می شود و یکی از شاخص های بیان کننده ویژگی های تبدیل ترموالکتریک است و هر چه این مقدار بزرگتر باشد، ماده تبدیل ترموالکتریک بهتر است.

بیشتر مواد را می توان به حامل ها تقسیم کرد: الکترون ها یا حفره ها. هنگامی که حامل یک الکترون است، α منفی است، و زمانی که حامل یک سوراخ است، α مثبت است و علامت اختلاف پتانسیل تولید شده معکوس می شود. بنابراین با اتصال متناوب دو نوع ماده با حامل های مختلف به صورت سری می توان مقدار بیشتری را به دست آورد. می توانید برق را استخراج کنید.

با استفاده از موارد فوق، استخراج الکتریسیته از منابع گرمایی در اندازه های مختلف، از نیروگاه های حرارتی و هسته ای گرفته تا گرمای بدن ممکن می شود.

تولید برق ترموالکتریک برای اولین بار در جبهه آلمان و شوروی در طول جنگ جهانی دوم به عنوان منبع انرژی برای تجهیزات ارتباطی پارتیزانی که از آتش کمپ به عنوان منبع گرما استفاده می کرد، استفاده شد و “جعبه غذای حزبی” نامیده شد. گفته می شود که راندمان تبدیل در آن زمان حدود ۱٫۵ تا ۲ درصد بوده است که ظاهراً برای تأمین انرژی تجهیزات ارتباطی کافی بود.

اثر پلتیه (Peltier Effect)

اثر پلتیه برعکس اثر Seebeck است و پدیده ای است که الکتریسیته را به گرما تبدیل می کند. اگرچه در همه مواد وجود دارد، اما به ویژه در مواد ترموالکتریک، مشابه اثر Seebeck موثر است. اصل این اثر پلتیه در زیر توضیح داده خواهد شد.

هنگامی که یک فلز و یک ماده تبدیل ترموالکتریک به یکدیگر متصل می شوند، یک “گام” در مسیری ایجاد می شود که از طریق آن حامل ها جریان می یابند*۱٫ هنگامی که حامل ها به سمت این مرحله حرکت می کنند، انرژی لازم برای غلبه بر این مرحله را به عنوان انرژی حرارتی از محیط اطراف خود جذب می کنند. این باعث کاهش دمای محیط می شود. برعکس، اگر لبه سمت راست ماده تبدیل ترموالکتریک بر روی فلز فرود آید، انرژی اضافی به ناحیه اطراف آزاد می شود و باعث افزایش دمای اطراف می شود. این اثر پلتیه است. مقدار گرمای تابش شده یا جذب شده از این اتصال در طول یک دقیقه Δt، ΔQ، با استفاده از جریان I که از محل اتصال می گذرد محاسبه می شود.

ΔQ = Π I Δt

می توان آن را به صورت بیان کرد در اینجا، Π ضریب پلتیه نامیده می شود و مانند α، شاخصی از عملکرد تبدیل ترموالکتریک است. همانطور که از نمودار و فرمول می توانید تصور کنید، اگر جهت جریان حامل تغییر کند، سطوح پیوندی که در آن جذب گرما و تولید گرما رخ می دهد نیز تغییر می کند و گرما یا خنک کردن هر مکانی را ممکن می کند.

همچنین، مشابه اثر Seebeck، با اتصال متناوب دو نوع ماده با حامل های مختلف به صورت سری، می توان الکتریسیته را با کارایی بیشتری به گرما تبدیل کرد.

سرمایش معمولی با استفاده از یخچال و تهویه مطبوع به کمپرسور و گاز مبرد نیاز دارد که ناگزیر به تجهیزات در مقیاس بزرگ نیاز دارد. با این حال، خنک سازی با استفاده از اثر پلتیه نیازی به چنین تجهیزاتی ندارد، بنابراین می توان یک دستگاه خنک کننده فشرده ایجاد کرد. در واقع، به صورت تجاری به عنوان یک یخچال رومیزی کوچک یا خنک کننده CPU برای کامپیوتر در دسترس است.

بیشتر بخوانید: حسگر دما مقاومتی RTD

اثر تامسون (Thomson effect)

اثر تامسون، پدیده ای است که در آن با عبور جریان از ماده ای با گرادیان دما، گرما به نسبت جریان آزاد یا جذب می شود. همچنین تابش گرما و جذب گرما بسته به جهت جریان تغییر می کند. گرمایش ژول یک پدیده اتلاف حرارت است که توسط جریان ایجاد می شود، اما این با اثر تامسون متفاوت است زیرا با مجذور جریان متناسب است و با جهت جریان ارتباطی ندارد.

در مورد ماده ای که حامل ها سوراخ هایی با بار مثبت هستند، هنگامی که مرکز گرم می شود، سوراخ ها در انتهای گرم نشده متمرکز می شوند، مشابه اثر Seebeck، و مرکز گرم شده به It تبدیل می شود. بار منفی خواهد داشت و سپس، یک میدان الکتریکی داخلی از دو انتها به سمت مرکز ایجاد می گردد. در این حالت، هنگامی که یک منبع تغذیه خارجی متصل شده و جریانی اعمال می شود، یک میدان الکتریکی خارجی از راست به چپ اعمال می شود و سوراخ هایی از انتهای سمت راست ماده p-type جاری می شود.

در این زمان، سوراخ ها از لبه سمت راست به سمت مرکز جریان می یابند و علاوه بر میدان الکتریکی خارجی، با کمک یک میدان الکتریکی داخلی حرکت می کنند و انرژی اضافی آزاد می کنند و باعث تشعشع گرمایی می شوند. از طرف دیگر، هنگام عبور از مرکز به سمت چپ، جهت میدان های الکتریکی خارجی و داخلی مخالف است، بنابراین انرژی جنبشی با مقدار میدان الکتریکی داخلی از بین می رود. برای جبران این، سوراخ ها تا لبه سمت چپ جریان دارند و باعث جذب گرما برای جذب انرژی گرمایی از محیط اطراف می شوند. در مورد مواد نوع n، جهت میدان الکتریکی داخلی معکوس می شود و جذب گرما و تابش گرما نیز معکوس می شوند.

اثر تامسون پدیده ای است که در آن جذب گرما و تابش بسته به گرادیان دما و جهت جریان تغییر می کند. مقدار گرمایی q در واحد حجم که گرما را به دلیل اثر تامسون ساطع یا جذب می کند با فرمول زیر با استفاده از مقاومت الکتریکی ρ ماده، بردار چگالی جریان J، گرادیان دما ∇T و ضریب تامسون Θ بیان می شود. .

q = ρ J2 – Θ J·∇T

در اینجا، عبارت اول در سمت راست نشان دهنده گرمایش ژول است، و از آنجایی که با مجذور J متناسب است، واضح است که به جهت جریان بستگی ندارد. از طرف دیگر عبارت دوم سمت راست تابش و جذب گرما را به دلیل اثر تامسون نشان می دهد و بسته به جهت J یا ∇T تغییر می کند.

جمع بندی

در این مقاله درباره مبحث مولید، پدیده یا اثر ترموالکتریک چیست و پدیده های فیزیکی مربوط به تبدیل Thermoelectric پرداختیم. در آخر، اگر سوالی درباره این موضوع مهم داشتید، در بخش دیدگاه های همین مطلب حتماً آن را مطرح فرمایید.