اثر سیبک (Seebeck Effect) چیست؟ پدیده Seebeck، تولید الکتریسیته از تماس دو فلز مختلف نیمه هادی یا فلز و نیمه هادی است که در یک مدار قرار دارند و به دلیل اختلاف دما، بین آنهاست. به عبارت دیگر، اثر سیبک، پدیده‌ای است که در آن اختلاف دمایی بین دو رسانا یا نیمه‌رسانا الکتریکی غیرمشابه باعث ایجاد اختلاف پتانسیل بین آنها می گردد. این پدیده، اساس ژنراتورهای ترموالکتریک (TEG) است که به عنوان ژنراتور Seebeck نیز شناخته می گردند، که دستگاه‌های حالت جامد هستند که جریان گرما (تفاوت دما) را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
در حقیقت Seebeck امکان اندازه گیری دما نیز وجود دارد. برای این کار از ترموکوپل ها پلاستفاده می شود که از طریق مجموعه مطالعه اثر Seebeck نیز قابل درک است.
کاربردهای Seebeck
جفت های حرارتی، به طور گسترده ای برای اندازه گیری دماهای بالا استفاده می شوند. در مورد جفت های نیمه هادی نسبت به تابش بسیار حساس هستند و به همین دلیل دماسنج های تشعشعی با آنها ساخته می گردند. جفت های حرارتی نیمه هادی نیز آشکارسازهای موثر امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا و همچنین تشعشعات فروسرخ هستند. یکی از معایب آن این است که می توان از آن در محدوده باریکی برای اندازه گیری دما استفاده کرد.
تحت این اثر، انتظار می رود که تبدیل مستقیم گرما به برق از طریق باتری های حرارتی اتفاق بیفتد. برای این منظور از جمله نیمه هادی های مناسب می توان به سلنوریوم، تلوریم، بیسموت و آنتیموان اشاره کرد.
پیشینه تاریخی
فیزیکدان آلمانی توماس سیبک، در سال 1820 کشف کرد که اگر مداری با اتحاد دو ماده مختلف بسته شود و این اتحاد با جسمی تماس فیزیکی داشته باشد، دمای این جسم به عنوان اختلاف پتانسیل حاصل از اتحاد فلزات در نظر گرفته می شود.
تولید برق حرارتی
انرژی حرارتی از طریق اثر ترموالکتریک، که تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی و بالعکس است، تولید می شود. هنگامی که دو ماده مختلف با هم گرم می شوند، انتقال الکترون بین دو ماده رخ می دهد و جریانی را ایجاد می کند. این اثر اولین بار توسط توماس Seebeck در سال 1821 گزارش شد.
ولتاژ تولید شده به ضریب Seebeck (S) بستگی دارد که با S = V/ΔT تعریف شده است، جایی که V اختلاف پتانسیل و ΔT اختلاف دما بین دو اتصال ترموکوپل است.
مکانیسم های اثر حرارتی
به عنوان مثال، هنگامی که دو فلز مختلف مانند مس و روی به یکدیگر پیوند می خورند، انتقال الکترون می تواند رخ دهد. الکترون ها از اتم های مس خارج شده و وارد اتم های روی می شوند و در محل اتصال پتانسیل الکتریکی ایجاد می کنند. هر چه حرارت بیشتری اعمال شود، ولتاژ تولید شده بیشتر می شود.
مواد ترموالکتریک انرژی حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. آنها باید رسانایی الکتریکی بالا (σ) و هدایت حرارتی پایین (κ) داشته باشند تا موثر باشند. نیمه هادی های اصلی مورد استفاده عبارتند از بیسموت تلورید (Bi2Te3)، تلورید سرب (PbTe) و سیلیکون ژرمانیوم (SiGe).
ژنراتور ترموالکتریک و Seebeck
TEG ها، برای تولید برق در مکان های دور، در فضاپیماها و مکان هایی که گرمای هدر رفته را می توان بازیابی کرد، استفاده می گردد. کاربردهای اخیر شامل فن های اجاق گاز، روشنایی با حرارت بدن و ساعت های هوشمند است. علیرغم قابلیت اطمینان و دوام آنها، کارایی و هزینه انرژی ویژه این دستگاه ها استفاده گسترده تر از آنها را محدود کرده است. تخمین زده می شود که با مواد ترموالکتریک فعلی، راندمان به حدود 1/6 حداکثر بازده ممکن کارنو محدود می شود.
چگونه اثر Seebeck را مطالعه کنیم؟
گروه مطالعه اثر Seebeck می تواند به طور مستقیم در انجام آزمایش های آزمایشگاهی کمک کند. در ادامه نحوه ساختن آن به عنوان نمونه آمده است:
- ترکیب آب و یخ را داخل لیوان اضافه کنید. این برای نزدیک‌ترین محیط به صفر درجه سانتیگراد ضروری است. مدتی صبر کنید و سپس دما را بررسی کنید.
- سپس لوله آزمایش را 80 درصد با آب دمای اتاق پر کنید. سپس روی Support ثابت کنید.
- یک سر ترموکوپل نوع K را در لوله آزمایش حاوی آب قرار دهید.
- انتهای دیگر در لیوان پر از آب و یخ قرار می گیرد.
- اکنون دماسنج را در لوله آزمایش قرار داده و منتظر تعادل حرارتی باشید. در مرحله بعد، اندازه گیری دمای مونتاژ ضروری خواهد بود.
- مرحله بعدی این است که حسگر دما ترموکوپل را به یک میلی ولت متر وصل کنید و سپس مقدار ولتاژی را که دستگاه نمایش می دهد یادداشت کنید.
- سپس شروع به گرم کردن آب از طریق جفت حرارتی از طریق لامپ کنید.
- در همان زمان، مقدار ولتاژی که میلی ولت متر نشان می دهد و همچنین دمای دماسنج را یادداشت کنید. این حاشیه نویسی باید در فواصل 30 ثانیه ای انجام شود.
- سپس لامپ را خاموش کنید یا آن را دور کنید و در طول فرآیند خنک سازی، تا 20 دقیقه به ثبت این داده ها ادامه دهید.
- با در دست داشتن جدول، امکان تجزیه و تحلیل مشاهدات و سپس نتیجه گیری در مورد آزمایش وجود خواهد داشت.
از طریق این نوع آزمایش، می توان به عنوان مثال، نرخ گرمایش/سرمایش را هر 30 ثانیه بررسی کرد، یا حتی ضریب Seebeck را تعیین کرد.
این یک آزمایش جایگزین عالی است که می تواند برای درک بهتر نحوه عملکرد اثر Seebeck در عمل انجام شود، زیرا استفاده از هیچ نوع نرم افزاری برای بررسی و مقایسه داده ها ضروری نیست.
نتیجه گیری
در این مقاله به سوال اثر سیبک چیست و همچنین کاربردهای آن پرداختیم و کلیه موارد را به طور کامل برای شما عزیزان توضیح دادیم. چنانچه سوالی درباره این پدیده دارید، در بخش نظرات همین مقاله آن را مطرح نمایید.
ثبت ديدگاه