اثر ترموالکتریکی

اثر سیبِک بیانگر اختلاف پتانسیل الکتریکی است که در نتیجه گرادیان دما به وجود می‌آید. برای دو ماده مختلف، ترموکوپل اختلاف پتانسیل دو قسمت سرد و گرم را محاسبه می‌کند. این اختلاف پتانسیل با اختلاف دمای دو نقطه از دو ماده، رابطهٔ مستقیم دارد. آلساندرو ولتا دانشمند ایتالیایی اولین کسی بود که به این مفهوم در سال ۱۷۹۴ پی برد. نام این اثر برگرفته از نام فیزیکدانی آلمانی به نام توماس یوهان سیبک است که در سال ۱۸۲۱ این اثر را مجدداً کشف کرد. او مشاهده کرد که در یک مدار بسته شامل دو فلز متفاوت با اختلاف دما، سوزن قطب‌نما منحرف می‌شود. این به دلیل تفاوت سطح انرژی الکترون‌ها در مواد مختلف است که منجر به ایجاد اختلاف پتانسیل و در نتیجه جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی می‌شود. 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 اندازه‌گیری ولتاژ و جریان به همان شیوه می‌شود. چگالی جریان وابسته به موقعیت به شکل زیر محاسبه می‌شود:

${\displaystyle J=\sigma (-\mathrm{\nabla }V+E_{emf})}$

در این فرمول، V ولتاژ محل مورد نظر و ${\displaystyle \sigma }$

${\displaystyle E_{emf}=-S\mathrm{\nabla }T}$

در این فرمول، S ضریب سیبک، یکی از ویژگی‌های ماده مورد نظر، و ${\displaystyle \mathrm{\nabla }T}$

وقتی یک جریان الکتریکی در طول یک مدار ترموکوپل جاری می‌شود، حرارت از یک سو خارج شده و به سوی دیگر جذب می‌شود. اثر پلتیه حضور گرما یا سرما در یک نقطه اتصال الکتریکی بین دو هادی است که در سال ۱۸۳۴ توسط فیزیکدان فرانسوی ژان شارل آتاناز پلتیه مشاهده شد. وقتی که جریان بین دو هادی A و B متصل به هم عبور می‌کند، حرارت در یک محل اتصال ممکن است ایجاد شده یا از یک محل اتصال رانده شود. حرارت پلتیه تولید شده در هر واحد زمانی برابر است با:

${\displaystyle \dot{Q}=({\mathrm{\Pi }}_{\text{A}}-{\mathrm{\Pi }}_{\text{B}})I,}$

در این فرمول، ${\displaystyle {\mathrm{\Pi }}_{\text{A}}}$

ضرایب پلتیه بیانگر این هستند که هر واحد بار الکتریکی چه مقدار حرارت را حمل می‌کند. از آنجا که جریان بار الکتریکی باید در یک محل اتصال تداوم داشته باشد، جریان حرارت مرتبط با آن موجب یک ناپیوستگی می‌شود اگر ${\displaystyle {\mathrm{\Pi }}_{\text{A}}}$

یک پمپ حرارتی معمول پلتیه، حاوی نقاط اتصال سری متعددی است که از آن جریان می‌گذرد. برخی از این نقاط با توجه به اثر پلتیه حرارت از دست می‌دهند، درحالی که نقاط دیگر حرارت دریافت می‌کنند. پمپ‌های حرارتی ترموالکتریک از این خاصیت بهره می‌برند، همان‌طور که خنک‌کننده ترموالکتریک در یخچال‌ها از این ویژگی استفاده می‌کنند.

در مواد مختلف، ضریب سیبِک در دماهای مختلف یکسان نیست، و گرادیان فضایی در دما می‌تواند منجر به ایجاد گرادیان در ضریب سیبِک شود. حال اگر، جریانی وارد این گرادیان شود، اثر پلتیه به‌طور مداوم اتفاق می‌افتد. اثر تامسون در سال ۱۸۵۱ توسط ویلیام تامسون، نخستین بارون کلوین پیش‌بینی و مشاهده شد. این اثر سرمایش و گرمایش یک هادی حامل جریان را با گرادیان دما توصیف می‌کند.

اگر جریان ${\displaystyle \mathbf{J}}$

${\displaystyle \dot{q}=-\mathcal{K}\mathbf{J}\cdot \mathrm{\nabla }T,}$

در این فرمول ${\displaystyle \mathrm{\nabla }T}$

اثر پلتیه

اثر پلتیه می‌تواند در یخچال و فریزرها به جای استفاده از سیال‌های در گردش 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.

اندازه‌گیری دما

ترموکوپل‌ها و ترموپایل‌ها دستگاه‌هایی هستند که از اثر سیبِک برای اندازه‌گیری اختلاف دمای بین دو جسم استفاده می‌کنند. ترموکوپل‌ها معمولاً برای اندازه‌گیری دمای بالا، حفظ دمای یک نقطه اتصال یا اندازه‌گیری آن استفاده می‌شوند. ترموپایل‌ها از مجموعه ای سِری از ترموکوپل‌ها تشکیل شده‌اند که برای اندازه‌گیری تغییرات دمایی بسیار جزیی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• ویکی‌پدیای انگلیسی