آموزش
اثر ترموالکتریک یا همان اثر سیبک چیست؟ | راهنمای کامل
بهمن
پدیده های ترموالکتریک همچون اثر سیبک، پلتیر و تامسون، از مهم ترین مفاهیم در مهندسی الکترونیک و فیزیک حالت جامد می باشند. این سوال مطرح میشود که ترموالکتریک چیست. این مفاهیم بیانگر رابطه میان گرما و الکتریسیته را توصیف میکنند. برای مثال اثر سیبک (Seebeck Effect) اساس کار بسیاری از تجهیزات مبدل انرژی حرارتی به الکتریکی، ژنراتورهای ترموالکتریک و همچنین دستگاه های مختلف اندازه گیری دما میباشد.
به همین دلیل این پدیده، از اهمیت فراوانی برخوردار است. این اثر توسط یک دانشمند اهل کشور آلمان، به نام توماس یوهان سیبک، در سال ۱۸۲۱ میلادی کشف شد. از آن زمان تا به امروز اثر سیبک نقش مهمی در پیشرفت تکنولوژی و توسعه فناوری های مربوط به تبدیل انرژی ایفا نموده است. اگر شما نیز علاقمند به کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه هستید، این مقاله را از دست ندهید.
همچنین پیش از خواندن ادامه مطلب میتوانید خلاصه آن را در جدول زیر مطالعه کنید:
| ویژگی / پارامتر | توضیحات |
| تعریف کلی | ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در اثر اختلاف دما بین دو نقطه از یک هادی یا نیمههادی. |
| کاشف و زمان کشف | توماس یوهان سیبک (دانشمند آلمانی) در سال ۱۸۲۱ میلادی. |
| اساس کار | حرکت حاملهای بار (الکترونها) از ناحیه گرمتر به ناحیه سردتر در یک مدار بسته. |
| کاربردهای اصلی | ساخت ترموکوپلهای صنعتی، ژنراتورهای ترموالکتریک (TEG)، سیستمهای تهویه و تولید برق از گرمای بدن. |
| ضریب سیبک (S) | میزان ولتاژ تولید شده به ازای هر واحد اختلاف دما (نشاندهنده کارایی ماده). |
| ضریب شایستگی (ZT) | پارامتری برای سنجش کارایی نهایی مواد ترموالکتریک در تبدیل انرژی. |
| عوامل موثر بر ولتاژ | ساختار الکترونی فلز و میزان شدت اختلاف دما بین دو سر اتصال. |
منظور از اثر سیبک چیست؟
اثر سیبک پدیده ای است که در آن اختلاف دما میان دو سر یک هادی یا نیمه هادی موجب میگردد، اختلاف پتانسیل الکتریکی در ماده به وجود بیاید. به عبارت دیگر، اگر دو فلز مختلف از دو نقطه، به هم اتصال یابند و محل اتصال ها در دو دمای مختلف قرار داده شوند، جریانی از الکترون ها در مدار بسته ایجاد خواهد شد. این جریان ناشی از تمایل حامل های بار، برای به حرکت درآمدن از ناحیه گرم تر به ناحیه سردتر میباشد. شدت ولتاژ ایجاد شده به ساختار الکترونی فلز و میزان اختلاف دما بستگی خواهد داشت.
کاربردهای اثر ترموالکتریک
میخواهیم ببینیم ترموالکتریک چیست و چه کاربردهایی دارد. از آن جا که اثر سیبک، قابلیت تبدیل مستقیم انرژی گرمایی را به الکتریسیته دارا میباشد، کاربرد های فراوانی در صنایع و فناوری های نوین دارد. در ادامه این بخش مهم ترین کاربردهای اثر ترموالکتریک را عنوان خواهیم نمود.
- تولید انرژی الکتریکی از گرمای تلف شده: ساخت ژنراتورهای ترموالکتریک یا TEG، از جمله مهم ترین کاربردهای اثر سیبک به شمار می آید. این ژنراتورها با استفاده از اختلاف دمای میان دو سطح، توان الکتریکی ایجاد میکنند. در نیروگاه ها، خودروها و حتی فضاپیماها، به منظور بازیابی انرژی حرارتی، از این پدیده استفاده میگردد.
- سنسور دما صنعتی: یکی از رایج ترین کاربردهای این اثر، استفاده از آن در ساخت ترموکوپل ها میباشد. ترموکوپل صنعتی یکی از پرکاربردترین ابزارهای اندازه گیری دما است که بر اساس این پدیده، دما را اندازه گیری میکند.
- سیستم های تهویه و خنک کننده: در برخی از سیستم های تهویه مطبوع پیشرفته، از ماژول های ترموالکتریک دو طرفه استفاده میگردد. همانطور که گفتیم از اثر سیبک برای تبدیل گرما به الکتریسیته استفاده میشود. اثر معکوس این پدیده، یعنی اثر پلتیر، جهت خنک سازی کاربرد دارد. ترکیب این دو بهره وری را در دستگاه های تهویه بالا میبرد.
- فناوری وسایل قابل حمل: به تازگی از این اثر برای تولید برق از گرمای بدن انسان نیز استفاده میشود. در این فناوری ها، انرژی لازم برای عملکرد سنسورها و یا ساعت های هوشمند، از گرمای بدن انسان تولید میگردد.
پارامترهای مهم اثر سیبک
عملکرد سیستم های ترموالکتریک که اساس کارشان اثر سیبک میباشد، به چند پارامتر مهم وابسته است. این پارامترها عبارتند از:
- ضریب سیبک (S): این ضریب مشخص کننده میزان ولتاژ تولید شده در ازای هر واحد اختلاف دما است. موادی که دارای ضریب سیبک بالایی هستند، در تبدیل گرما به برق کارایی بیشتری دارند.
- رسانایی الکتریکی (σ): این پارامتر بیان کننده میزان توانایی ماده، در انتقال الکترون ها است. هرچه رسانایی بالاتر باشد، جریان تولیدی بیشتر خواهد بود.
- رسانایی گرمایی (κ): داشتن رسانایی گرمایی پایین تر، بازده ماده را بالا میبرد. چرا که اختلاف دما میان دو سر آن حفظ میگردد.
- ضریب شایستگی (ZT): کارایی مواد ترموالکتریک با این پارامتر مشخص میگردد. هر چه مقدار آن بزرگتر باشد، کارایی ماده برای تبدیل انرژی بیشتر خواهد بود.
در سنسورهای مدل RTD نیز این اثر وجود دارد، در این فروشگاه انواع محصولات مختلف RTD ها موجود هستند، جهت خرید سنسور pt100 در انواع مختلف و یا مشاهده محصولات تنها کافیست به دسته دیگرمان مراجعه فرمایید.
نتیجه گیری
در قسمت های بالا دریافتیم که اثر سیبک چیست. این پدیده در واقع از جمله بنیادی ترین پدیده های فیزیکی است که میتوان آن را پل میان گرما و الکتریسیته دانست. از این اثر میتوان برای تبدیل انرژی حرارتی هدر رفته به انرژی الکتریکی استفاده نمود. این موضوع در صنعت امروز، با توجه به بحران انرژی که با آن رو به رو هستیم، بسیار دارای اهمیت است. مسیر آینده تحقیقات اثر ترموالکتریک، وابسته به توسعه مواد جدید با رسانایی گرمایی پایین و ضریب سیبک بالا میباشد. در آینده نزدیک، شاهد کاربردهای گسترده این اثر، در فناوری صنایع مختلف خواهیم بود.
