תופעות תרמו-חשמליות הן נושא נפרד בפיזיקה, שבו הן בוחנות כיצד הטמפרטורה יכולה לייצר חשמל, והאחרון מוביל לשינוי בטמפרטורה. אחת התופעות התרמו-אלקטריות הראשונות שהתגלו הייתה אפקט סייבק.
דרישות מוקדמות לפתיחת האפקט
ב-1797 גילה הפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה, שערך מחקר בתחום החשמל, את אחת התופעות המדהימות: הוא גילה שכאשר שני חומרים מוצקים באים במגע, מופיע הבדל פוטנציאלי באזור המגע. זה נקרא הפרש מגע. מבחינה פיזית, עובדה זו פירושה שלאזור המגע של חומרים לא דומים יש כוח אלקטרו-מוטיבי (EMF) שיכול להוביל להופעת זרם במעגל סגור. אם כעת שני חומרים מחוברים במעגל אחד (כדי ליצור שני מגעים ביניהם), אז ה-EMF שצוין יופיע על כל אחד מהם, שיהיה זהה בגודלו, אך הפוך בסימן. האחרון מסביר מדוע לא נוצר זרם.
הסיבה להופעת EMF היא רמה שונה של פרמי (אנרגיהמצבי ערכיות של אלקטרונים) בחומרים שונים. כאשר האחרונים באים במגע, רמת הפרמי מתפלסת (בחומר אחד היא יורדת, בחומר אחר היא עולה). תהליך זה מתרחש עקב מעבר אלקטרונים דרך המגע, מה שמוביל להופעת EMF.
יש לציין מיד שערך EMF זניח (בסדר גודל של כמה עשיריות וולט).
גילוי של תומס סיבק
Thomas Seebeck (פיזיקאי גרמני) בשנת 1821, כלומר, 24 שנים לאחר גילוי הפרש פוטנציאל המגע על ידי וולט, ערך את הניסוי הבא. הוא חיבר צלחת של ביסמוט ונחושת, והניח לידם מחט מגנטית. במקרה זה, כאמור לעיל, לא התרחש זרם. אבל ברגע שהמדען הביא את להבת המבער לאחד ממגעי שתי המתכות, המחט המגנטית החלה להסתובב.
עכשיו אנחנו יודעים שכוח האמפרה שנוצר על ידי המוליך נושא הזרם גרם לו להסתובב, אבל באותו זמן סיבק לא ידע זאת, אז הוא הניח בטעות שהמגנטיזציה המושרה של מתכות מתרחשת כתוצאה מהטמפרטורה הבדל.
ההסבר הנכון לתופעה זו ניתן כמה שנים מאוחר יותר על ידי הפיזיקאי הדני הנס אורסטד, שהצביע על כך שאנחנו מדברים על תהליך תרמו-אלקטרי, וזרם זורם במעגל סגור. עם זאת, האפקט התרמו-אלקטרי שגילה תומס סיבק נושא כרגע את שם משפחתו.
פיזיקה של תהליכים מתמשכים
שוב פעם כדי לגבש את החומר: המהות של אפקט Seebeck היא לגרוםזרם חשמלי כתוצאה משמירה על טמפרטורות שונות של שני מגעים מחומרים שונים, היוצרים מעגל סגור.
כדי להבין מה קורה במערכת הזו, ומדוע מתחיל לרוץ בה זרם, כדאי להכיר שלוש תופעות:
- הראשון כבר הוזכר - זהו עירור ה-EMF באזור המגע עקב יישור רמות הפרמי. האנרגיה של רמה זו בחומרים משתנה ככל שהטמפרטורה עולה או יורדת. העובדה האחרונה תוביל להופעת זרם אם שני מגעים ייסגרו במעגל (תנאי שיווי המשקל באזור המגע של מתכות בטמפרטורות שונות יהיו שונים).
- תהליך העברת נושאי מטען מאזורים חמים לקרים. ניתן להבין את ההשפעה הזו אם נזכור שאלקטרונים במתכות ובאלקטרונים וחורים במוליכים למחצה יכולים, בקירוב הראשון, להיחשב כגז אידיאלי. כידוע, האחרון, כאשר מחומם בנפח סגור, מגביר את הלחץ. במילים אחרות, באזור המגע, שבו הטמפרטורה גבוהה יותר, גם ה"לחץ" של גז האלקטרונים (חור) גבוה יותר, ולכן נושאי מטען נוטים ללכת לאזורים קרים יותר של החומר, כלומר למגע אחר.
- לבסוף, תופעה נוספת שמובילה להופעת זרם באפקט Seebeck היא האינטראקציה של פונונים (תנודות סריג) עם נושאי מטען. המצב נראה כמו פונון, נע מצומת חם לצומת קר, "פוגע" באלקטרון (חור) ומעניק לו אנרגיה נוספת.
סומן שלושה תהליכיםכתוצאה מכך, התרחשות הזרם במערכת המתוארת נקבעת.
איך מתוארת התופעה התרמו-אלקטרית הזו?
פשוט מאוד, בשביל זה הם מציגים פרמטר מסוים S, שנקרא מקדם Seebeck. הפרמטר מראה אם ערך EMF מושרה אם הפרש טמפרטורת המגע נשמר שווה ל-1 קלווין (מעלת צלזיוס). כלומר, אתה יכול לכתוב:
S=ΔV/ΔT.
כאן ΔV הוא EMF של המעגל (מתח), ΔT הוא הפרש הטמפרטורה בין הצמתים החמים והקרים (אזורי המגע). נוסחה זו נכונה רק בקירוב, שכן S תלוי בדרך כלל בטמפרטורה.
הערכים של מקדם Seebeck תלויים באופי החומרים במגע. עם זאת, אנו בהחלט יכולים לומר שלחומרים מתכתיים ערכים אלו שווים ליחידות ועשרות של μV/K, בעוד שלמוליכים למחצה הם מאות μV/K, כלומר, למוליכים למחצה יש כוח תרמואלקטרי גדול בסדר גודל למתכות. הסיבה לעובדה זו היא תלות חזקה יותר של המאפיינים של מוליכים למחצה בטמפרטורה (מוליכות, ריכוז נושאי מטען).
יעילות תהליך
העובדה המפתיעה של העברת חום לחשמל פותחת הזדמנויות גדולות ליישום של תופעה זו. עם זאת, לשימוש הטכנולוגי שלו, לא רק הרעיון עצמו חשוב, אלא גם מאפיינים כמותיים. ראשית, כפי שהוכח, ה-EMF המתקבל קטן למדי. ניתן לעקוף בעיה זו על ידי שימוש בחיבור סדרתי של מספר רב של מוליכים (אשרנעשה בתא פלטייר, עליו נדון להלן).
שנית, זה עניין של יעילות ייצור תרמו-חשמל. והשאלה הזו נשארת פתוחה עד היום. היעילות של אפקט Seebeck נמוכה ביותר (כ-10%). כלומר, מכל החום שהוצא, רק עשירית ממנו יכולה לשמש לביצוע עבודה מועילה. מעבדות רבות ברחבי העולם מנסות להגביר את היעילות הזו, מה שניתן לעשות על ידי פיתוח חומרים מהדור החדש, למשל, באמצעות ננוטכנולוגיה.
שימוש באפקט שגילה Seebeck
למרות היעילות הנמוכה, הוא עדיין מוצא את השימוש בו. להלן האזורים העיקריים:
- צמד תרמי. אפקט Seebeck משמש בהצלחה למדידת הטמפרטורות של עצמים שונים. למעשה, מערכת של שני מגעים היא צמד תרמי. אם מקדם S שלו והטמפרטורה של אחד הקצוות ידועים, אז על ידי מדידת המתח המתרחש במעגל, ניתן לחשב את הטמפרטורה של הקצה השני. צמדים תרמיים משמשים גם למדידת צפיפות האנרגיה הקרינה (אלקטרומגנטית).
- ייצור חשמל על גשושי חלל. בדיקות ששוגרו על ידי אדם לחקור את מערכת השמש שלנו או מעבר לכך משתמשים באפקט Seebeck כדי להפעיל את האלקטרוניקה על הסיפון. זה נעשה הודות לגנרטור תרמו-אלקטרי קרינה.
- יישום אפקט Seebeck במכוניות מודרניות. הודיעו ב.מ.וו ופולקסווגןהמראה במכוניות שלהם של גנרטורים תרמו-אלקטריים שישתמשו בחום של גזים הנפלטים מצינור הפליטה.
אפקטים תרמו-אלקטריים אחרים
יש שלושה אפקטים תרמו-אלקטריים: Seebeck, Peltier, Thomson. מהותו של הראשון כבר נשקללה. באשר לאפקט פלטייר, הוא מורכב מחימום מגע אחד וקירור השני, אם המעגל שנדון לעיל מחובר למקור זרם חיצוני. כלומר, ההשפעות של Seebeck ו-Peltier הפוכות.
לאפקט תומסון יש אותו אופי, אבל הוא נחשב על אותו חומר. המהות שלו היא שחרור או בליעה של חום על ידי מוליך שדרכו זורם זרם וקצוותיו נשמרים בטמפרטורות שונות.
Peltier cell
כשמדברים על פטנטים על מודולים תרמו-גנרטורים עם אפקט Seebeck, אז, כמובן, הדבר הראשון שהם זוכרים הוא תא Peltier. זהו מכשיר קומפקטי (4x4x0.4 ס מ) העשוי מסדרה של מוליכים מסוג n ו-p המחוברים בסדרה. אתה יכול להכין את זה בעצמך. האפקטים של סיבק ופלטייר הם לב ליבה של עבודתה. המתחים והזרמים איתם הוא עובד קטנים (3-5 V ו-0.5 A). כפי שהוזכר לעיל, יעילות עבודתו קטנה מאוד (≈10%).
הוא משמש לפתרון משימות יומיומיות כמו חימום או קירור מים בספל או טעינת טלפון נייד.
