وبلاگ

در سال 1821 دانشمندی به نام سیبک1 اولین گزارش مربوط به مشاهدات اثرات ترموالکتریکی را به فرهنگستان علوم  پروسیان2 ارائه کرد. وی با گرم کردن محل اتصال دو رسانای نامتجانس توانسته بود بین دو سر دیگر آنها یک اختلاف پتانسیل ایجاد کند. علی رغم اینک سیبک فهم کاملی از این آزمایشات نداشت و نمی توانست این اثرات را به خوبی توجیه کند، اما توانست اثرات ترموالکتریکی را در رساناهای مختلف دیگر مشاهده کند.

 

 

13 سال بعد، یک ساعت ساز فرانسوی به نام پلتیه3 نتایج کم و بیش مشابهی را ارائه کرد و دومین اثر ترموالکتریکی را کشف نمود. او نشان داد که هر گاه جریان الکتریکی از محل اتصال دو رسانای متفاوت عبور داده شود، بسته به جهت جریان، فرآیند جذب یا تولید گرما انجام می­شود. باید توجه داشت که این اثر کاملاً با اثر گرما مقاومتی ژول  تفاوت دارد. پلتیه هم همانند سیبک به طور کامل نتوانست ماهیت فیزیکی نتایج بدست امده را توضیح دهد،اما در سال 1838، لنز4 نشان داد که آب در محل اتصال بیسموت- آنتیموان می­توانست یخ ببندد و چنانچه جهت جریان عوض می­شد یخ تولید شده ذوب می­شد.

 

 

تامسون5 که بعداً به لرد کلوین معروف شد، متوجه شد که می­بایست بین اثر سیبک و اثر پلیته ارتباط وجود داشته باشد. او توانست این ارتباط را با استفاده از مباحث مربوط به ترمودینامیک مشخص و نتیجه­گیری کند که باید یک اثر سوم ترموالکتریکی (که امروزه به اثر تامسون معروف است) نیز موجود باشد. این اثر سوم ترموالکتریکی بدین معنی است که فرایند گرمایش یا سرمایش می­تواند در رسانای همگن اتفاق بیافتد، اگر یک جریان الکتریکی در جهت گرادیان دمایی در آن وجود داشته باشد.

 

 

علی رغم این واقعیت که اثرات ترموالکتریکی برای مدت زمان طولانی شناخته شده است اما استفاده عملی از این اثرها تنها در چند دهه گذشته با ساخت ترموکوپل برای اندازه گیری دما و مجوعه­ای از ترموکوپل به نام ترموپایل برای آشکارسازی انرژی تابشی انجام شد. در هر دو وسیله فوق از اثر سیبک استفاده می­شود که در آن تولید الکتریسیته توسط گرما انجام می­شود. در ابتدا ترموکوپل­های ساخته شده دارای حساسیت بسیار پایین بودند اما امروزه با پیشرفت فن آوری ساخت مدار بهتر، حساسیت این ابزارها بسیار بالاست.

 

 

نظریه اساسی مربوط به تولید و فرایند سرد سازی اولین بار به طور رضایت بخشی توسط آلتن کرش1 مطرح شد. او نشان داد که برای مقاصد کاربردی مواد مورد استفاده می­بایست دارای ضریب ترموالکتریکی بالا باشند. ضمناً لازم بود که رسانندگی الکتریکی آنها نیز بالا باشد تا گرمای ژول کمینه باشد. ویژگی سوم این مواد آن است که باید دارای رسانندگی گرمایی پایینی باشند تا افت انتقال گرما در آنها کم باشد.به هر حال شناخت ویژگیهای مواد و کشف موادی که دارای خصوصیات بالا باشند خود مساله­ای پیچیده بود و محققان زیادی برای دستیابی به چنین موادی تحقیقات زیادی انجام دادند که نتیجه آن دستیابی به مواد نیمرسانا به جای رسانا، بود که اثرات ترموالکتریکی را به صورت بهتر در مقایسه با رساناها از خود نشان می­دهند. امروزه استفاده از چنین موادی امکان ساخت مدارها و سرد کننده­های ترموالکتریکی با راندمان بالا را ممکن ساخته است.

 

 

 

 

2-1- اثر سیبک

 

 

همان طور که قبلا اشاره شد، اثر سیبك توسط  توماس جان سیبك ( 1770-1831) دانشمند آلمانی در سال ۱۸۲۲ كشف شد.

 

 

 مطابق شكل (1-1) سیبك دو میله­ی مس و بیسموت را به هم متصل كرد و موازی با میله­ها عقربه­ی مغناطیسی را قرار داد تا بتواند آزادانه حول محور قائمی بچرخد.

 

 

هنگامی كه یك محل اتصال دو فلز به وسیله­ی شعله گرم می­شد، انحراف عقربه­ی مغناطیسی عبور جریان الکتریکی را در مدار نشان می­داد. سیبك این آزمایش را با فلزهای متفاوت تكراركرد و نتیجه گرفت كه هرگاه اتصا لهای دو فلز ناهمجنس در دماهای متفاوت قرار گیرند نیروی محرك الكتریكی (e.m.f) در مدار تولید می­شود[1].

 

 

پس اگر ماده‌ای که حاوی الکترونهای آزاد است در معرض جریان گرمایی قرار بگیرد به طوری که  اختلاف دمای T)∆) در دو طرف آن ایجاد شده، در این صورت با یک اختلاف پتانسیل مدار باز (V∆) روبرو خواهیم شد. برای یک جسم همگن و اختلاف دمای کوچک، رابطه میان اختلاف پتانسیل  (V∆) و اختلاف دما(T∆)، چنین است.

 

 

که در آن،S، ضریب ترمو الکتریک 1یا ضریب سیبک 2نامیده می‌شود. نام اخیر برای نیمرساناها متداول شده است. بدین ترتیب توان گرمایی بیان کننده بزرگی ولتاژ ترموالکتریکی ایجاد شده در مقابل اختلاف دمای موجود در ماده می باشد. یکای ضریب سیبک ولت بر کلوین (V/K) است، اما معمولا این ضریب بر حسب میکرو ولت بر کلوین بیان می­شود و مقادیری بر حسب صدها میکرو ولت بر کلوین، منفی و یا مثبت، نشان دهنده یک ماده ترموالکتریک خوب است. با استفاده از رابطه(1-1)،  می‌توان به معادله کلی‌تر زیر رسید[5].

 

 

1  Thermoelectric Coefficient

 

 

2  Seebeck  Coefficien

 

 

1  Seebeck

 

 

2  Prussian Accodemy Of Science

 

 

3  Peltier

 

 

4  Lenz

 

 

5  Thomson

 

 

1  Altenkirch

 

 

1  Thermoelectric Effect