اثر سیبک چیست؟

اثر ترموالکتریک

تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی و بالعکس از طریق ترموکوپل است. هنگامی که دمای متفاوتی در هر طرف یک جسم وجود دارد، یک دستگاه ترموالکتریک ولتاژ ایجاد می کند. برعکس، هنگامی که ولتاژ به آن اعمال می شود، گرما از یک طرف به طرف دیگر منتقل می شود و اختلاف دما ایجاد می کند. در مقیاس اتمی، یک گرادیان درجه حرارت اعمال شده باعث می شود که حامل های بار در مواد از طرف گرم به سمت سرد پراکنده شوند.. از این اثر می توان برای تولید برق، اندازه گیری دما یا تغییر دمای اجسام استفاده کرد. از آنجا که جهت گرمایش و سرمایش تحت تأثیر ولتاژ اعمال شده است ، می توان از دستگاههای ترموالکتریک به عنوان کنترل کننده دما نیز استفاده کرد. "اثر ترموالکتریک" شامل سه اثر جداگانه شناخته شده است: اثر سیبک، اثر پلتیه و اثر تامسون. آثار سیبک و پلتیه مظاهر مختلف یک فرایند فیزیکی یکسان هستند.

ترموکوپل اختلاف پتانسیل را در دو سر گرم و سرد برای دو ماده غیر مشابه اندازه می گیرد. این تفاوت بالقوه متناسب با اختلاف دما بین دو سر گرم و سرد است. اولین بار در سال 1794 توسط دانشمند ایتالیایی آلساندرو ولتا کشف شد. این نام از فیزیکدان آلمانی بالتیک توماس یوهان سیبک گرفته شده است، که در سال 1821 به طور مستقل آن را دوباره کشف کرد. مشاهده شد که یک سوزن قطب نما با حلقه بسته ای که از دو فلز مختلف به هم متصل شده اند، با اختلاف دمای اعمال شده بین اتصالات، منحرف می شود. این به این دلیل بود که سطوح انرژی الکترون در فلزات مختلف به طور متفاوتی تغییر کرد و باعث ایجاد اختلاف بالقوه بین اتصالات شد که به نوبه خود جریان الکتریکی را از طریق سیمها ایجاد کرد و بنابراین میدان مغناطیسی در اطراف سیمها ایجاد کرد. سیبک تشخیص نداد که جریان الکتریکی در جریان است، بنابراین این پدیده را "اثر حرارتی مغناطیسی" نامید. هانس کریستین اورستد، فیزیکدان دانمارکی، نظارت را اصلاح کرد و اصطلاح "ترموالکتریکی" را ابداع کرد. اندازه گیری دقیق و قابل اطمینان دما و رطوبت برای صنعت، هواشناسی و تحقیقات حیاتی است. کسب و کارها و سازمان ها باید به عملکرد اندازه گیری های خود در طیف وسیعی از دما و در سخت ترین شرایط اطمینان کامل داشته باشند. ترموکوپل ها پرکاربردترین حسگر دما در صنعت هستند. آنها برای نظارت بر فرآیندهای درجه حرارت بالا مانند عملیات حرارتی هوافضا ، تولید کوارتز و بسیاری دیگر ضروری هستند. آنها از دو سیم فلزی متصل در یک سر تشکیل شده اند و اختلاف دما بین سر گرم و سرد باعث ایجاد ولتاژ می شود. این به عنوان اثر Seebeck شناخته می شود و می توان از آن برای تعیین دما استفاده کرد. 

ضریب سیبک 

ضریب Seebeck پارامتری است که میزان ولتاژ ایجاد شده برای تغییر دمای معین در طول سیم را توضیح می دهد. هر ماده دارای ضریب Seebeck متفاوتی است. تا زمانی که ضریب Seebeck در دمای ثابت در تمام نقاط سیم یکسان باشد، سیم را می توان در ترموکوپل برای اندازه گیری دما با عدم قطعیت پایین استفاده کرد. با این حال ، با گذشت زمان - به ویژه هنگامی که به طور منظم در دماهای بالا استفاده می شود - ضریب Seebeck سیم های ترموکوپل می تواند به دلیل آلودگی، اکسیداسیون و سایر اثرات تغییر کند. اگر قسمتهای مختلف سیم به طرق مختلف تحت تأثیر قرار گیرد (همانطور که معمولاً اتفاق می افتد، زیرا قسمتهای مختلف ترموکوپل در دمای متفاوتی قرار دارند - به عنوان مثال، نوک ترموکوپل معمولاً در یک منطقه گرم قرار دارد ، در حالی که انتهای دیگر آن در دمای اتاق باشد) ، این موضوع می تواند بر دقت اندازه گیری تأثیر بگذارد. 

اطمینان از اندازه گیری صحیح 

برای اطمینان از اندازه گیری صحیح ترموکوپل ها، تولیدکنندگان - و همچنین موسسه های مترولوژی ملی و آزمایشگاه های کالیبراسیون که کالیبراسیون ترموکوپل را انجام می دهند –این شرکت ها باید بتوانند سیم ها را به لحاظ همگن بودن یعنی عاری از تغییرات در ضریب Seebeck. بررسی کنند. برای شناسایی این تغییرات در طول یک ترموکوپل، روشهای زیادی توسط موسسات ملی اندازه شناسی، با استفاده از کوره ها، حمام های روغنی یا حمام های نمکی توسعه یافته است. 

کاربرد Seebeck: 

• از اثر Seebeck در ژنراتورهای ترموالکتریک استفاده می شود. از ژنراتورهای ترموالکتریک در نیروگاههایی استفاده می شود که گرمای اضافی را به الکتریسیته تبدیل می کند.

• از اثر سیبک در خودروها به عنوان ژنراتور خودرو یا ژنراتور ترموالکتریک خودرو استفاده می شود که به افزایش بازده سوخت کمک می کند.

• از اثر سیبک در ترموکوپل ها استفاده می شود. ترموکوپل ها وسایل الکتریکی هستند که از دو فلز یا رسانای متفاوت ساخته شده اند و در دو دمای مختلف قرار گرفته اند. اینها برای اندازه گیری اختلاف پتانسیل ایجاد شده بین دو هادی استفاده می شوند.

• از اثر سیبک در ترموفیل ها نیز استفاده می شود. ترموفیل ها تعداد ترموکوپل هایی هستند که به صورت سری به هم متصل شده اند. 

آیا میدانستید؟

در نیروگاه های حرارتی که انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود و بعداً بر اساس نیاز از طریق خطوط برق توزیع می شود. در حالی که انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنیم، با اتلاف انرژی مواجه می شویم. از اثر Seebeck در چنین ژنراتورهای ترموالکتریک استفاده می شود. این ژنراتورهای ترموالکتریک در نیروگاههایی مورد استفاده قرار می گیرند که گرمای اضافی را به الکتریسیته تبدیل می کند. 

اثر پلیتر 

در 1834میلادی، پلتيه دریافت که جریان الکتریکی عبوری از یک اتصال از فلزات غير مشابه منجر به سرد و یا گرم شدن نقطه اتصال می شود. در سال 1131" لنز" نشان داد که بسته به جهت جریان، نقطه اتصال فلزات تا حدی که آب منجمد و به یخ تبدیل شو د سرد شده و یا با تغيير جهت جریان، گرم و یخ ذوب می شود. حرارت جذب و یا ایجاد شده در نقطه اتصال با ميزان جریان الکتریکی متناسب است. این تناسب دارای ثابت تناسبی به نام "ضریب پلتييه" است. 

اثر تامسون 

ویلیام تامسون (بعدها به عنوان لرد کلوین معروف شد) سومین اثر ترموالکتریک را کشف کرد که ارتباط بین اثر سیبک و اثر پلتیه را ایجاد می کند. تامسون دریافت که وقتی جریانی از یک سیم از مواد یکدست عبور می کند که گرادیان درجه حرارت در طول آن وجود دارد، گرما باید به ترتیب با محیط اطراف مبادله شود. که گرادیان درجه حرارت اصلی ممکن است در امتداد سیم حفظ شود. (تبادل حرارت در تمام نقاط مدار که گرادیان درجه حرارت وجود دارد لازم است.) اثر تامسون را می توان با یک تصویر ساده درک کرد. یک رسانا دارای حامل های شارژ رایگان است که عبارتند از: الکترون در فلزات، الکترون و حفره در نیمه رساناها و یون ها در صورت رسانای یونی. قسمتی از چنین رسانایی را در نظر بگیرید که یک سر آن از انتهای دیگر گرمتر است. حامل های شارژ در انتهای گرم، با انرژی بیشتر، به سمت انتهای سرد پراکنده می شوند. بالا بردن میدان الکتریکی انتشار حامل ها زمانی متوقف می شود که نیروی جذاب بر روی حامل ها به دلیل این میدان به اندازه ای قوی باشد که بتواند حرکت حامل ها را به دلیل اثر حرارتی به تاخیر بیاندازد.