האפקט התרמו-אלקטרי

מודול סיבק תרמו-אלקטרי

האפקט התרמו-אלקטרי הוא ההמרה הישירה של הפרשי טמפרטורה למתח חשמלי ולהפך, באמצעות צמד תרמי. התקן תרמו-אלקטרי יוצר מתח כאשר ישנה טמפרטורה שונה בכל אחד מצדדיו. לחלופין, כאשר מופעל עליו מתח, חום מועבר מצד אחד לשני, ובכך נוצר הפרש טמפרטורות.

ניתן להשתמש באפקט זה כדי לייצר חשמל, למדוד טמפרטורה או לשנות את הטמפרטורה של גופים. מכיוון שכיוון החימום והקירור מושפע מהמתח המופעל, התקנים תרמו-אלקטריים יכולים לשמש כבקרי טמפרטורה.

המונח "אפקט תרמו-אלקטרי" כולל שלושה אפקטים שהוגדרו בנפרד: אפקט סיבק (הפרשי טמפרטורות גורמים לכוח אלקטרו-מניע), אפקט פלטייה (צמדים תרמיים יוצרים הפרשי טמפרטורות), ואפקט תומסון (מקדם סיבק משתנה עם הטמפרטורה). אפקט סיבק ואפקט פלטייה הם ביטויים שונים של אותו תהליך פיזיקלי; ספרי לימוד עשויים להתייחס לתהליך זה כאל אפקט פלטייה-סיבק (ההפרדה נובעת מהתגליות הבלתי תלויות של ז'אן-שארל פלטייה ותומאס יוהאן זבק ). אפקט תומסון הוא הרחבה של מודל פלטייה-סיבק ומיוחס ללורד קלווין.

חימום ג'ול, שהוא החום הנוצר כאשר זרם עובר דרך חומר מוליך, אינו נחשב בדרך כלל לאפקט תרמו-אלקטרי. אפקטי פלטייה-סיבק ותומסון הם הפיכים מבחינה תרמודינמית, בעוד שחימום ג'ול אינו כזה.

מקור

ברמה האטומית, מפל טמפרטורה גורם לנושאי המטען בחומר לפעפע מהצד החם אל הצד הקר. הדבר נובע מכך שלחלקיקים נושאי המטען יש מהירויות ממוצעות גבוהות יותר (ולפיכך אנרגיה קינטית גבוהה יותר) בטמפרטורות גבוהות, מה שגורם להם לנדוד בממוצע לכיוון הצד הקר יותר, ובתוך כך להעביר חום דרך החומר.

בהתאם לתכונות החומר ולאופי של נושאי המטען (בין אם הם חורים חיוביים בחומר ובין אם הם אלקטרונים בעלי מטען שלילי), חום יכול להיות מועבר בכל אחד מהכיוונים ביחס למתח. מוליכים למחצה מסוג n ומסוג p משולבים לעיתים קרובות בטור מכיוון שיש להם כיוונים מנוגדים להובלת חום, כפי שצוין על ידי הסימן של מקדם סיבק שלהם.

אפקט סיבק

אפקט סיבק בצמד תרמי עשוי מחוטי ברזל ונחושת

מעגל תרמו-אלקטרי המורכב מחומרים בעלי מקדמי סיבק שונים (מוליכים למחצה מאולחים מסוג p ומסוג n), המוגדר כגנרטור תרמואלקטרי. אם נגד העומס בתחתית יוחלף בוולטמטר, המעגל יתפקד כצמד תרמי למדידת טמפרטורה.

אפקט סיבק הוא הופעת כוח אלקטרו מניע (כא"מ) המתפתח בין שתי נקודות של חומר מוליך חשמלית כאשר קיים ביניהן הפרש טמפרטורות. הכא"מ מכונה כא"מ סיבק (או כא"מ תרמי/תרמו- אלקטרי). היחס בין הכא"מ להפרש הטמפרטורות הוא מקדם סיבק . צמד תרמי מודד את הפרש הפוטנציאלים בין קצה חם וקצה קר של שני חומרים שונים. הפרש פוטנציאלים זה פרופורציונלי להפרש הטמפרטורות בין הקצוות החם והקר. האפקט התגלה לראשונה בשנת 1794 על ידי אלסנדרו וולטה, והוא נקרא על שמו של תומאס יוהאן זבק , שגילה אותו מחדש בשנת 1821.

זבק הבחין במה שכינה "אפקט תרמו-מגנטי", שבו מחט של מצפן מגנטי הוסטה על ידי לולאה סגורה שנוצרה משתי מתכות שונות המחוברות בשתי נקודות, כאשר בין החיבורים הופעל הפרש טמפרטורות. הנס כריסטיאן ארסטד ציין כי הפרש הטמפרטורות הוא זה שלמעשה הניע זרם חשמלי, כאשר יצירת השדה המגנטי היא תוצאה עקיפה, ולכן טבע את המונח המדויק יותר "תרמו-אלקטריות".

אפקט סיבק הוא דוגמה קלאסית לכוח אלקטרו-מניע (כא"מ) ומוביל לזרמים או מתחים ניתנים למדידה באותו אופן כמו כל כא"מ אחר. צפיפות הזרם המקומית מתוארת על ידי הנוסחה הבאה: $$\mathbf {J} =\sigma (-\nabla V+\mathbf {E} _{\text{emf}}),$$

כאשר $V$ הוא המתח המקומי, ו-$\sigma$ היא המוליכות המקומית. באופן כללי, אפקט סיבק מתואר באופן מקומי על ידי יצירת שדה אלקטרו-מניע: $$\mathbf {E} _{\text{emf}}=-S\nabla T,$$

כאשר $S$ הוא מקדם סיבק (הידוע גם ככוח תרמי), תכונה של החומר המקומי, ו-$\nabla T$ הוא מפל הטמפרטורות.

מקדמי סיבק בדרך כלל משתנים כפונקציה של הטמפרטורה ותלויים מאוד בהרכב המוליך. עבור חומרים רגילים בטמפרטורת החדר, ערכו של מקדם סיבק עשוי לנוע בין 100μV/K- ל-1,000μV/K+.

יישומים

בפועל, כמעט שלא ניתן לצפות באפקטים תרמו-אלקטריים בנקודה חמה או קרה מקומית בחומר מוליך הומוגני יחיד, מכיוון שהכא"מ הכולל הנובע ממפלי הטמפרטורה העולים והיורדים מתקזז במלואו. ניסיון לחבר אלקטרודה לנקודה החמה כדי למדוד את המתח שהשתנה מקומית יצליח באופן חלקי בלבד: משמעות הדבר היא שמפל טמפרטורות נוסף ייווצר בתוך האלקטרודה, ולכן הכא"מ הכולל יהיה תלוי בהפרש במקדמי סיבק בין האלקטרודה לבין המוליך שאליו היא מחוברת.

צמדים תרמיים מורכבים משני תיילים, כל אחד מחומר שונה, המחוברים זה לזה חשמלית באזור שהטמפרטורה בו אינה ידועה. הקצוות החופשיים נמדדים במצב של מעגל פתוח (ללא זרם, J=0). אף על פי שמקדמי סיבק S של החומרים תלויים בטמפרטורה באופן לא-ליניארי והם שונים זה מזה, תנאי המעגל הפתוח גורר כי $\nabla V=-S\nabla T$ בכל מקום. לכן, המתח הנמדד בקצוות החופשיים של התיילים תלוי ישירות בטמפרטורה הלא ידועה, אך אינו תלוי כלל בפרטים אחרים, כמו הגאומטריה המדויקת שלהם. קשר ישיר זה מאפשר להשתמש במערך של צמד תרמי כמד טמפרטורה פשוט שאינו דורש כיול, בתנאי שידוע ההפרש בעקומות S-vs-T של שני החומרים, ובתנאי שידועה טמפרטורת הייחוס בקצוות החופשיים הנמדדים. הביטוי "S-vs-T" הוא קיצור שמתאר גרף המציג את מקדם סיבק (S) כפונקציה של הטמפרטורה (T). במילים פשוטות, זוהי עקומה שמראה כיצד הערך של מקדם סיבק משתנה כאשר הטמפרטורה עולה או יורדת. המילה "vs" היא קיצור של versus (לעומת), ובגרפים משמעותה היא "כתלות ב...".

מיון תרמו-אלקטרי פועל באופן דומה לצמד תרמי, אך עוסק בחומר לא ידוע במקום בטמפרטורה לא ידועה: גשש מתכתי בעל הרכב ידוע נשמר בטמפרטורה קבועה וידועה ומוחזק במגע עם דגימה לא ידועה שמחוממת מקומית לטמפרטורת הגשש. באופן זה, מתקבלת מדידה מקורבת של מקדם סיבק S הלא ידוע, שיכולה לסייע להבחין בין מתכות וסגסוגות שונות.

תרמופיילים נוצרים מצמדים תרמיים רבים המחוברים בטור, בתצורת זיג-זג הנעה בין צד חם לצד קר. מבנה זה מכפיל את תפוקת המתח.

גנרטורים תרמו-אלקטריים דומים לצמד תרמי או לתרמופייל, אך במקום למדוד מתח, הם צורכים זרם מהמתח הנוצר כדי להפיק הספק מהפרשי טמפרטורות. הם עוברים אופטימיזציה באופן שונה מצמדים תרמיים, תוך שימוש בחומרים תרמו-אלקטריים איכותיים במערך דמוי תרמופייל, כדי למקסם את ההספק המופק. אף על פי שאינם יעילים במיוחד, יתרונם של גנרטורים אלה הוא שאין להם חלקים נעים.

נצילותם של התקנים כאלה משתנה בהתאם למספר גורמים, ובהם סביבת הפעולה וההתקן הספציפי. עם זאת, הם פועלים בדרך כלל בנצילות נמוכה של כ-5% ולעיתים מגיעים עד 12%.

אפקט פלטייה

מעגל סיבק בתצורה של מקרר תרמו-אלקטרי

בסרטון ניתן לראות רכיב פלטייה מצולם במצלמה תרמית

כאשר זרם חשמלי מועבר דרך מעגל של צמד תרמי, חום נוצר (נפלט או נשאב) בצומת אחת ונספג בצומת האחרת. תופעה זו ידועה בשם אפקט פלטייה: הימצאותו של חימום או קירור בצומת חשמלי של שני מוליכים שונים. האפקט קרוי על שמו של הפיזיקאי הצרפתי ז'אן-שארל פלטייה , שגילה אותו בשנת 1834. כאשר גורמים לזרם לזרום דרך צומת בין שני מוליכים, A ו-B, חום עשוי להיווצר או להיספג בצומת. חום פלטייה הנוצר בצומת ליחידת זמן הוא:

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

כאשר $\Pi _{\text{A}}$ ו-$\Pi _{\text{B}}$ הם מקדמי פלטייה של המוליכים A ו-B, ו-$I$ הוא הזרם החשמלי (מ-A ל-B). החום הכולל הנוצר אינו נקבע על ידי אפקט פלטייה בלבד, שכן הוא עשוי להיות מושפע גם מחימום ג'ול ומאפקטים של מפלי טמפרטורה (ראו להלן).

יישומים

ניתן להשתמש באפקט פלטייה ליצירת משאבת חום. יישום בולט הוא המקרר התרמו-אלקטרי (מקרר פלטייה), שהוא מקרר קומפקטי ללא נוזל במחזור או חלקים נעים. מקררים כאלה שימושיים ביישומים שבהם יתרונותיהם גוברים על החיסרון של נצילותם הנמוכה מאוד.

יישומי משאבות חום אחרים, כגון קולטי לחות , עשויים גם הם להשתמש במשאבות חום מבוססות אפקט פלטייה.

מקררים תרמו-אלקטריים הם הפיכים באופן טריוויאלי, כלומר ניתן להשתמש בהם כגופי חימום פשוט על ידי היפוך כיוון הזרם. שלא כמו חימום חשמלי התנגדותי רגיל (חימום ג'ול), המשתנה ביחס לריבוע הזרם, אפקט החימום התרמו-אלקטרי הוא ליניארי ביחס לזרם (לפחות עבור זרמים קטנים), אך דורש "מקור קר" (cold sink) להתמלא ממנו באנרגיית חום. אפקט החימום והקירור המהיר וההפיך הזה משמש בתרמו-סייקלרים מודרניים רבים – מכשירי מעבדה המשמשים לשכפל DNA באמצעות תגובת שרשרת של פולימראז. תהליך ה-PCR דורש חימום וקירור מחזוריים של דגימות לטמפרטורות מוגדרות. שילוב של צמדים תרמיים רבים בשטח קטן מאפשר שכפול של דגימות רבות במקביל.

אפקט תומסון

עבור חומרים מסוימים, מקדם סיבק אינו קבוע בטמפרטורה, ולכן מפל טמפרטורות מרחבי יכול לגרום למפל במקדם סיבק. אם זרם מוזרם דרך מפל זה, תתרחש גרסה רציפה של אפקט פלטייה. אפקט תומסון זה נחזה ומאוחר יותר נצפה בשנת 1851 על ידי לורד קלווין. הוא מתאר את החימום או הקירור של מוליך נושא זרם הנמצא במפל טמפרטורות. אם צפיפות הזרם $\mathbf {J}$ מועברת דרך מוליך הומוגני, אפקט תומסון חוזה קצב ייצור חום ליחידת נפח.

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

כאשר $\nabla T$ הוא מפל הטמפרטורות, ו-${\mathcal {K}}$ הוא מקדם תומסון.

אפקט תומסון הוא ביטוי לכיוון הזרימה של נושאי מטען חשמלי ביחס למפל טמפרטורות בתוך מוליך. נושאי המטען סופגים אנרגיה (חום) כאשר הם זורמים בכיוון מנוגד למפל התרמי, ובכך מגדילים את האנרגיה הפוטנציאלית שלהם. לעומת זאת, כאשר הם זורמים באותו כיוון כמו המפל התרמי, הם משחררים חום ומקטינים את האנרגיה הפוטנציאלית שלהם. מקדם תומסון קשור למקדם סיבק באמצעות הקשר: ${\mathcal {K}}=T{\tfrac {dS}{dT}}$. עם זאת, משוואה זו מתעלמת מחימום ג'ול וממוליכות חום רגילה.

לקריאה נוספת

• Rowe, D.M., ed. (2006). Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. Taylor & Francis. doi:10.1201/9781420038903. ISBN 0-8493-2264-2. OCLC 70217582.
• Jack, P.M. (2003). Physical Space as a Quaternion Structure I: Maxwell Equations. A Brief Note.
• Besançon, Robert M. (1985). Besançon, Robert M. (ed.). The Encyclopedia of Physics (3rd ed.). Van Nostrand Reinhold. doi:10.1007/978-1-4615-6902-2. ISBN 0-442-25778-3.
• Ioffe, A.F. (1957). Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling. Infosearch. ISBN 0-85086-039-3. OCLC 600476276.
• Thomson, William (1851). "On a mechanical theory of thermo-electric currents". Proceedings of the Royal Society of Edinburgh (פורסם ב-1857). 3: 91–98. doi:10.1017/S0370164600027310.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא האפקט התרמו-אלקטרי בוויקישיתוף

• International Thermoelectric Society
• Föll, Helmut (אוק' 2019). "2.3.3 Thermoelectric Effects: General Consideration". Electronic Materials. University of Kiel. {{cite web}}: (עזרה)
• A news article on the increases in thermal diode efficiency