الآثار الكهرحرارية

آثار كهرحرارية

-



الآثار الكهرحرارية

 أثر سيبك

أثر بلتيه

أثر تومسون

تتناول الآثار الكهرحرارية  Thermoelectric effects العلاقات المختلفة بين توليد قوة محركة كهربائية نتيجة وجود فرق في درجة الحرارة بالمادة نفسها أو عند الوصلة بين مادتين مختلفتين، سواء في اتجاه معين أم في الاتجاه المعاكس: بمعنى توليد فرق في درجة الحرارة عند تطبيق قوة محركة كهربائية.

بينت التجربة أن اتصال معدنين مختلفين بالنوع في نقطتين مختلفتين بحيث يشكلان دارة مغلقة يؤدي إلى نشوء تيار كهربائي فيها إذا كانت درجتا حرارة نقطتي الاتصال مختلفتين. ويمكن لهذه الحالة أن تظهر في الاتجاه المعاكس أي عند مرور تيار كهربائي في هذه الدارة فإنه يسبب اختلافاً في درجتي حرارة نقطتي الاتصال. كما أن مرور التيار في الدارة السابقة يسبب توليد حرارة أو خسارة لها إذا كانت درجتا حرارة نقطتي التماس متساويتين. ومن جهة ثانية فإن مرور التيار في ناقل يحتوي على تدرج حراري وفق طوله يؤدي أيضاً إلى توليد أو خسارة في الحرارة؛ لهذا دعيت هذه الظاهرة باسم الظاهرة الكهرحرارية  thermoelectric phenomena. وتتعلق خواص هذه الظاهرة بكل من نوعي المعدنين المستخدمين ودرجة حرارة نقاط الاتصال. يمكن الإشارة إلى أن مرور تيار كهربائي في ناقل درجة حرارته ثابتة - خلافاً لما ذكر- يؤدي إلى انتشار كمية من الحرارة متناسبة مع مربع شدة التيار المار في الناقل ولا تتعلق هذه الكمية بجهة مرور التيار (أثر جول)، وهذه الظاهرة غير عكوسة. وبصورة عامة فقد جرت العادة عند دراسة الآثار الكهرحرارية التمييز بين ثلاثة آثار مرتبطة بهذه الظاهرة تستخدم في القياسات الحرارية وتحقق تحولات عكوسة بين الطاقة الحرارية والطاقة الكهربائية، هي أثر سيبك وأثر بلتيه وأثر تومسون.

أثر سيبك:

الشكل (1)ء

عند وضع منطقتي التماس junction لمعدنين مختلفين  A وB  في درجتي حرارة مختلفتين T₁ و T₂ (الشكل 1)، تنشأ في الدارة قوة محركة كهربائية  (electromotive force (emf)  تتعلق قيمتها بخصائص المعدنين ودرجتي حرارة منطقتي التماس. هذه الظاهرة تدعى أثر سيبك  Seebeck effect.

فإذا كانت درجة حرارة إحدى منطقتي التماس ثابتة و تساوي درجة حرارة انصهار الجليد مثلاً (الصفر المئوي) تتغير قيمة القوة المحركة الكهربائية بتغيّر درجة حرارة منطقة التماس الثانية وفق العلاقة (1) :

(1)

حيث تمثل  t  درجة حرارة المنطقة الثانية مقدرة بالسلسيوس( c  الدرجة المئوية) ، و  α₂و  α₁  ثوابت تتعلق بنوع المعادن المختلفة المستعملة. أما إذا اختلفت درجة حرارة منطقة التماس الأولى عن الصفر، فعندها يجب تصحيح المعادلة السابقة بإضافة حد يبين مقدار التغير في قيمه المقابلة  emf .

يمكن أن تحدث هذه الظاهرة أيضاً في حالة سلك وحيد يحتوي على تدرج حراري  temperature gradient  وفق طوله. فعند وجود فرق في درجة الحرارة قدره  بين طرفي السلك، فإنه يسبب خللاً في التوازن الحراري وينشأ تيار حراري  I_Q=dQ/dt. وهذا يسبب ازدياداً في قيمة الأنتروبية (التي هي خارج قسمة كمية الحرارة المتبادلة بدرجة حرارة المنبع الذي يبادلها) عند الطرف البارد للسلك، على حين تنخفض قيمة الأنتروبية عند الطرف الساخن. أي يمكن القول إنه نشأ تيار من الأنتروبية عبر السلك. يعرّف تيار الأنتروبية بأنه تيار العشوائية المنتقلة عبر السلك و يرمز له  I_S. و يمكن التعبير عن تغير الأنتروبية بالعلاقة (2) :

(2)

تمثل المعادلة الثانية تعريفاً لتيار الأنتروبية بافتراض معامل ناقليتها هو نفسه معامل الناقلية الحرارية، وبالتالي فإن: I_S=I_Q / T  كذلك عند تطبيق فرق في الكمون قدره   على طرفي السلك ينشأ تيار كهربائي I يسبب اختلاف درجة حرارة نهايتي السلك، وبالتالي تغير في تيار الأنتروبية وفق العلاقة (3) :

(3)

حيث تمثّل  كمية الحرارة المتولدة في واحدة الزمن.

في الحالة العامة عند تطبيق كل من و بآن واحد على طرفي السلك سيكون معدل تغير الأنتروبية مجموعهما، أي يساوي:

(4)

وعندما يكون الابتعاد عن حالة التوازن صغيراً - بحيث تبقى التحولات عكوسة - أي عندما يكون تغير درجة الحرارة وتغير فرق الكمون صغيرين كفاية، تكتب العلاقة التي تربط التيار الكهربائي وتيار الأنتروبية بدرجة الحرارة وفرق الكمون كما يلي :

(5)

حيث L₁₁ و L₂₂ ثوابت تمثل الناقلية الحرارية و الناقلية الكهربائية على الترتيب. أما L₁₂ و L₂₁ فهي ثوابت ارتباط توضح أثر فرق الكمون وأثر فرق درجة الحرارة على الأنتروبية على الترتيب. غير أن قيمتي هذين الثابتين متساويتان أي  L₁₂ = L₂₁. ففي الحالة التي يكون فيها  = 0=  TD يتبين من المعادلة (5) أن:

(6)

حيث يمثل معامل انتقال الأنتروبية entropy transport parameter وهو يؤدي الدور الأساسي في نظرية المزدوجات الكهرحرارية sthermocouple.  وإذا كان التيار الكهربائي معدوماً أي ينتج من المعادلة (5) :

(7)

استناداً إلى ذلك تُحسب القوة المحركة الكهربائية emf المتولدة في المزدوجة الكهرحرارية وفق مفعول سيبك من العلاقة:

(8)

حيث A و B هما نقطتا تماس السلكين، و T₀ وT هما درجتا حرارة نقطتي التماس على الترتيب. في الحالة التي يكون فيها 0 = T₀  تؤول العلاقة الأخيرة إلى الشكل :  

(9)

يُعزى سبب تشكل القوة المحركة الكهربائية في الدارة السابقة إلى ارتباط كمون تماس المعدنين المتصلين بدرجة الحرارة، كما أن كمون التماس بدوره ينشأ من اختلاف قيمة تابع العمل لكل معدن. وتابع عمل المعدن هو الطاقة اللازمة لنزع إلكترون من هذا المعدن. ومن ثم فإن كمون التماس يساوي فرق قيمتي تابع العمل بين المعدنين المتصلين.

يستفاد من هذا الأثر في قياس درجات الحرارة باستعمال المزدوجات الكهرحرارية بعد معايرتها.

أثر بلتيه:

يعدّ أثر بلتيه Peltier effect معكوس أثر سيبك. فعند وضع نقطتي تماس معدنين مختلفين في درجة الحرارة نفسها، ثم إغلاق هذه الدارة بوصلها إلى مولد تيار كهربائي مستمر خارجي يسبب مرور تيار كهربائي فيها فرقاً في درجتي حرارة نقطتي التماس، أي تنخفض درجة حرارة إحدى نقطتي التماس وترتفع درجة حرارة نقطة التماس الأخرى، وعند عكس جهة التيار الكهربائي المار في الدارة يحدث انقلاب في تغير درجتي حرارة نقطتي التماس. تدعى هذه الظاهرة أثر بلتيه. وتتميز هذه الظاهرة بأنها عكوسة خلافاً لأثر جول الحراري. ومن جهة ثانية تُعرف كمية الحرارة اللازم تطبيقها على هذه الدارة لإعادة درجة حرارة نقطتي التماس إلى ما كانت عليه في البداية بحرارة بلتيه Peltier heat، وتتناسب كمية حرارة بلتيه طرداً مع شدة التيار الكهربائي المار في الدارة I وفق العلاقة:

(1)

الشكل (2)

الشكل (3)

حيث يمثل المقدار P ثابت (معامل) بلتيه  Peltier coefficient وهو يتعلق بدرجتي حرارة وصلتي المعدنين المستخدمين  ونوعهما. ونظراً لصغر كمية الحرارة المصاحبة لهذه الظاهرة مقارنة بكمية حرارة جول يتعذر قياسها مباشرة، وتُحسب من  معامل بلتيه. 

لتكن e نقطة اتصال حرارية بين سلكين معدنيين مختلفين  A  وB  ودرجة حرارتها  T  (الشكل2) .

وبهدف توضيح سلوك التيارات الحرارية عند النقطة  e يمكن تفصيل ما يحدث عند نقطة التماس هذه أكثر وفق ما هو مبين في الشكل (3)

فمع أن الوصلة في درجة حرارة منتظمة يوجد تيار حراري   I_QA يدخل إلى نقطة التماس وتيار حراري  I_QB يخرج من تلك النقطة، وهذان التياران ينتقلان معاً ومع  التيار

الكهربائي  I. ويعزى سبب نشوء مثل هذه التيارات بثبات درجة الحرارة إلى اختلاف ما يعرف بكهرسلبية المعدن التي تعرف بميل المادة لضم الإلكترونات إليها. أما جهة هذه التيارات فتكون من السلك A إلى B كما هو واضح من (الشكل 3). إن العلاقة بين التيارات الحرارية المختلفة عند نقطة التماس  I_QA و I_QB  و I_Q  وحرارة جول المنتشرة  تعطى بالعلاقة (2) : 

(2)

حيث تمثل R مقاومة نقطة التماس، و     التيار الحراري عند ثبات درجة الحرارة للسلك A، و   التيار الحراري عند ثبات درجة الحرارة للسلك B. وبحسب تعريف كمية حرارة بلتيه:

	(3)
	(4)

واستناداً إلى المعادلة (6) في بحث «أثر سيبك» يكون:

(5)

بوضع المعادلة (5) في المعادلة (4) تصبح:

(6)

 وباستعمال المعادلة (9) الواردة في بحث «أثر سيبك» تأخذ المعادلة (6) الشكل:

(7)

تبين هذه المعادلة أنه يمكن حساب القوة المحركة المتولدة باستخدام ثابت بلتيه. مما سبق يتبين أن أثر بلتيه يحدث بشكل معاكس لأثر سيبك، وهو يستعمل الآن في تبريد الأدوات الصغيرة مثل الدارات الإلكترونية في الحاسوب، ويؤمّل استعماله على نطاق كبير في التبريد عندما تتوفر مواد جديدة معامل بلتيه لها أفضل من المعادن المذكورة هنا.

 أثر تومسون:

أثر تومسون Thomson effect هو ظهور قوة محركة كهربائية نتيجة وجود تدرّج حراري في سلك مصنوع من المادة نفسها، لذلك يمكن أن يظهر مع انتقال كمية الحرارة على طول كل من سلكي المزدوجة الكهرحرارية حتى في حال عدم مرور تيار كهربائي فيها. في الحالة العادية عند انتقال كمية من الحرارة في سلك يصل بين منبعين حراريين ينشأ تدرّج منتظم في درجة الحرارة إذا كان السلك منتظم المقطع. فقد لاحظ تومسون عام 1854م وجود اختلاف بين كمية الحرارة المقيسة تجريبياً والحسابات الترموديناميكية النظرية، كما لاحظ أن التوزع الحراري على كل سلك يختلف اختلافاً بعيداً عن تفسير أثر جول الحراري، لذلك سميت هذه الظاهرة باسمه. يمكن تعريف حرارة تومسون Thomson heat بأنها كمية الحرارة التي يجب تقديمها أو سحبها وفق طول أسلاك المزدوجة الكهرحرارية، أو سلك معيّن، بغية إعادة التوزع الحراري إلى ما كان عليه قبل مرور التيار. إن كمية حرارة تومسون المنتقلة إلى جزء صغير من السلك الذي يمر فيه تيار شدته I ويسبب له تغيراً في درجة الحرارة بمقدار dT تعطى بالعلاقة:

(1)

حيث يمثل المقدار ( ثابت ) معامل تومسون Thomson coefficient، وهو يتعلق بنوع السلك ومتوسط درجة حرارة الجزء المدروس. وبالتالي لقياس مقدار حرارة تومسون في جزء صغير من أي سلك يجب إحداث تدرج حراري معلوم في هذا الجزء، ثم إمرار تيار كهربائي معلوم أيضاً في هذا الجزء على التوالي إما باتجاه التدرج الحراري وإما بعكسه لاستخلاص كمية حرارة تومسون، إذ إن كمية حرارة جول لاتتغير بتغير جهة التيار خلافاً لما يسببه أثر تومسون.

الشكل (4) ء

ولفهم أثر تومسون يؤخذ جزء صغير من سلك فرق درجة الحرارة بين طرفيه وكذلك فرق الكمون كما في الشكل (4). وعندما يمر تيار شدته I في السلك فإن التيار الحراري المار في الجزء الساخن من السلك سوف يختلف عن التيار الحراري المار في الجزء البارد I _Q,T. إن التيار الحراري I_Q الذي يقاس بامتصاصه على طول السلك زيادة على كمية حرارة جول   أو( حيث المقاومة الكهربائية لجزء السلك) المقدمة للحفاظ على الفرق نفسه لدرجة الحرارة الموجودة في حالة انعدام التيار الكهربائي؛ يمثل حرارة تومسون بواحدة الزمن. إن نسبة كمية حرارة تومسون المنتقلة هي . لذلك تكتب كمية الحرارة الكلية على الشكل:                

(2)

وعندما تكون درجة الحرارة منتظمة  T فإن معامل انتقال الأنتروبية    يكون: 

وبالتالي:

أما إذا كانت درجة الحرارة غير منتظمة فإن  تأخذ قيماً مختلفة في نقطتين مختلفتين من السلك. وعند درجة الحرارة   يكون:

(3)

في حين تعطى كمية الحرارة الممتصة على طول السلك بالعلاقة:

(4)

من المعادلة (1) يتبين أن حرارة تومسون تساوي:

(5)

بالاستفادة من المعادلة (4) يمكن كتابة معامل تومسون على الصورة:

(6)

بتطبيق المعادلة (6) على مزدوجة كهر حرارية مؤلفة من سلكين A و B كما في أثر بلتيه تأخذ المعادلة (6) الشكل: 

(7)

يمكن إيجاد العلاقة التي تربط بين معامل تومسون و القوة المحركة الكهربائية المتولدة وفق المعادلة (9) من بحث «أثر سيبك» ليتبين أن:

(8)

 يستفاد من أثر تومسون في إجراءات المعايرة والتصحيح عند استعمال مزدوجات كهرحرارية لقياس درجة الحرارة. إضافة إلى أهميته النظرية عند مقارنة سلوك المعادن والمواد المختلفة، وكذلك عند البحث عن مواد جديدة ذات مردودات عالية سواء في التبريد أم في توليد قوى محركة كهربائية اعتماداً على فروق في درجات الحرارة.

كنج  الشوفي

التصنيف :

المجلد:

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية