ما هو تأثير سيبيك – Seebeck Effect؟
تأثير سيبيك: هو تراكم الجهد الكهربائي عبر تدرج درجة الحرارة في مختلف الموصلات الكهربائية أو أشباه الموصلات، على سبيل المثال، تقيس المزدوجة الحرارية، (thermocouple)، الفرق في الجهد عبر الطرف الساخن والبارد لمادتين غير متشابهتين، على سبيل المثال، “موصل كهربائي أو شبه موصل”، فرق الجهد المقاس يتناسب مع اختلاف درجة الحرارة بين الأطراف الساخنة والباردة.
اكتشف هذه الظاهرة الفيزيائي الألماني “توماس سيبيك”، (1770-1831)، اكتشف “سيبيك” ذلك بملاحظة إبرة بوصلة يمكن أن تنحرف عندما تتشكل حلقة مغلقة بين هذين المعدنين المختلفين أو أشباه الموصلات، اعتقد “سيبيك” في البداية أنّ ذلك ناتج عن المغناطيسية الناتجة عن الاختلافات في درجات الحرارة ووصف التأثير بأنّه تأثير مغناطيسي حراري، ومع ذلك، أدرك الفيزيائي الدنماركي، “هانز كريستيان أورستد”، أنّه تيار كهربائي مستحث، والذي يحرف المغناطيس بسبب “قانون أمبير“.
شرح تأثير سيبيك:
إن إلكترونات التكافؤ في الجزء الأكثر دفئًا من المعدن هي المسؤولة وحدها عن ذلك والسبب وراء ذلك هو الطاقة الحرارية (thermal energy)، أيضًا بسبب الطاقة الحركية لهذه الإلكترونات، تهاجر إلكترونات التكافؤ هذه بسرعة أكبر نحو الطرف الآخر “الأكثر برودة”، في المقابل، بالجزء الأكثر برودة تهاجر الإلكترونات نحو الجزء الأكثر دفئًا، المفهوم الكامن وراء حركتهم هو:
- في الجانب الساخن، يكون توزيع فيرمي (Fermi distribution) ضعيفًا، أي التركيز الأعلى للإلكترونات فوق طاقة فيرمي ولكن في الجانب البارد، يكون توزيع فيرمي قويًا، أي أنّ لدينا عددًا أقل من الإلكترونات فوق طاقة فيرمي (Fermi energy).
- تذهب الإلكترونات إلى حيث تكون الطاقة أقل، وبالتالي ستنتقل من الطرف الأكثر دفئًا إلى الطرف الأكثر برودة ممّا يؤدي إلى نقل الطاقة وبالتالي موازنة درجة الحرارة في النهاية.
أو بعبارة بسيطة، يمكننا أن نستنتج أنّ الإلكترونات الموجودة في الطرف الأكثر دفئًا لها متوسط زخم مرتفع مقارنة بالإلكترونات الأكثر برودة، لذلك سوف تأخذ الطاقة معها مقارنة بالطرف الآخر، ينتج عن هذه الحركة شحنة سالبة في الجزء الأكثر برودة من الجزء الأكثر دفئًا، ممّا يؤدي إلى توليد جهد كهربائي، إذا كان هذا الزوج متصلاً من خلال دائرة كهربائية، ينتج عنه توليد تيار مستمر (DC)، ومع ذلك، فإنّ الجهد الناتج هو بضعة ميكرو فولت (10-6) لكل فرق درجة حرارة “كلفن”، الآن نحن جميعًا ندرك حقيقة أنّ زيادة الجهد في حالة التوصيل على التوالي وزيادة التيار في حالة التوصيل على التوازي.
لذا، ضع هذه الحقيقة في الاعتبار إذا كان بإمكاننا توصيل العديد من هذه الأجهزة لزيادة الجهد، “في حالة التوصيل على التوالي”، أو لزيادة الحد الأقصى للتيار “بالتوازي”، الحرص على شيء واحد فقط يتطلب اختلافًا كبيرًا في درجة الحرارة لهذا الغرض، ومع ذلك، هناك شيء واحد يجب أن نضعه في الاعتبار أنّه يتعين علينا الحفاظ على درجة حرارة ثابتة، ولكن مختلفة، وبالتالي فإنّ توزيع الطاقة في كلا الطرفين سيكون مختلفًا وبالتالي يؤدي إلى العملية الناجحة التي ذكرناها سابقًا.
معامل سيبيك – Seebeck Coefficient:
يُطلق على الجهد الناتج بين النقطتين على الموصل عند الحفاظ على اختلاف ثابت في درجة الحرارة بمقدار (1) درجة كلفن بينهما “معامل سيبيك”، أحد هذه التوليفات من النحاس الثابت له معامل سيبيك يبلغ (41) ميكرو فولت لكل كلفن في درجة حرارة الغرفة.
تأثير سيبيك الدوراني – Spin Seebeck Effect:
ومع ذلك، في عام (2008)، لوحظ أنّه عندما يتم تطبيق الحرارة على معدن ممغنط، فإنّ إلكتروناته يعاد ترتيبها وفقًا لدورانه، ومع ذلك، فإنّ إعادة الترتيب هذه لم تكن مسؤولة عن توليد الحرارة، هذا التأثير هو (K / w) يطلق عليه “تأثير دوران سيبيك”، يستخدم هذا التأثير في تطوير محولات صغيرة سريعة وفعّالة.
تطبيقات تأثير سيبيك:
تشمل تطبيقات تأثير سيبيك ما يلي:
- يستخدم تأثير سيبيك هذا بشكل شائع في المزدوجات الحرارية (thermocouples)، لقياس الفرق في درجات الحرارة أو لتحفيز المفاتيح الإلكترونية التي يمكنها تشغيل النظام أو إيقاف تشغيله، تشتمل التركيبات المعدنية المزدوجة الحرارية المستخدمة بشكل شائع على الكستانتان (constantan)، النحاس والقسطنطين (copper, constantan)، الحديد والكونستانتان (iron, constantan)، الكروم والكونستانتان (chrome and constantan).
- يستخدم “تأثير سيبيك” في المولد الكهربائي الحراري الذي يعمل كمحرك حراري.
- تستخدم أيضًا في بعض محطات توليد الطاقة من أجل تحويل الحرارة المهدرة إلى طاقة إضافية.
- في السيارات كمولدات كهربائية حرارية للسيارات لزيادة كفاءة الوقود.
