شرح اثر پلتیر

 

مترجم: عبدی

منبع : راسخون






 

اثر پلتیر پدیده‌ای مهم در مطالعه‌ی گرمایش و سرمایش ترموالکتریک محسوب می‌شود. به منظور درک بیشتر به ادامه‌ی مقاله توجه کنید تا با توضیح مختصری از این پدیده آشنا شوید.

آیا می‌دانید؟

اثر پلتیر به مدت تقریبا صد سال اهمیت واقعی نداشت تا این که دستگاه‌های فلزی غیر هم جنس با نیمه رساناهایی جایگزین شدند که قادر به تولید گرادیان (ضریب زاویه) حرارتی بسیار بزرگ‌تر بودند.
در سال 1821، دانشمند آلمانی توماس سی بک چند آزمایش الکتریکی انجام داد. وی کشف کرد که جریان الکتریکی از مداری با دو رسانای غیر هم جنس عبور می‌کند به شرط آنکه محل اتصال این فلزات در دماهای متفاوتی نگه داری شوند. اما سی بک نتوانست دلیل علمی و واقعی این پدیده را توضیح دهد و به اشتباه نتیجه گرفت که جریان گرمایی اثری مشابه با جریان الکتریکی تولید می‌کند.
بعدها در سال 1834، جین پلتیر ساعت ساز و فیزیک دان فرانسوی در حالی که اثر سی بک را تحلیل می‌کرد، متذکر شد که جریان می‌تواند در اتصالی با فلزات غیر هم جنس جذب و در اتصال دیگری در همان مدار تخلیه شود. بیست سال بعد از آن، ویلیام تامسون (لرد کلوین) توانست هر دو اثر سی بک و پلتیر را به طور علمی توضیح دهد و رابطه‌ی بین آن‌ها را مورد سنجش قرار داد. اما در آن زمان، در حالی که این پدیده جالب بود، بیش از یک آزمایش تجربی محض در نظر گرفته نشد. سپس در سال 1930، هنگامی که دانشمندان روسی بررسی دوباره‌ی کارهای قدیمی‌تر را در مورد اثر ترموالکتریک آغاز کردند، توجه دنیا به این پدیده بار دیگر جلب شد که این امر موجب ایجاد و توسعه‌ی دستگاه‌های ترموالکتریکی واقعی شد.
اثر پلتیر برعکس اثر سی بک بود. بنابراین به منظور درک عملکرد اثر پلتیر، ابتدا اثر سی بک را بررسی می‌کنیم.

اثر سی بک

اثر سی بک پدیده‌ای است که در آن گرادیان حرارتی تولید شده بین دو اتصال متشکل از دو رسانا یا نیمه رسانای الکتریکی غیر هم جنس سبب ایجاد اختلاف پتانسیل بین آن‌ها می‌شود. این اختلاف پتانسیل اجازه می‌دهد جریان الکتریکی از مدار عبور کند. از این رو، اثر سی بک بیان می‌کند که گرادیان حرارتی باعث عبور جریان الکتریکی از مدار می‌شود.
به روش ریاضی، اگر (T1 - T2) اختلاف دما بین دو اتصال فلزی غیر هم جنس باشد، بنابراین طبق اثر سی بک اختلاف دمای مذکور نیروی محرکه‌ی الکتریکی (بر حسب ولت) تولید می‌کند که به صورت زیر بیان می‌شود:
E = α (T1 – T2)
توجه: α ضریب دیفرانسیل سی بک یا ضریب نیروی ترموالکتریکی بین دو رسانا یا نیمه رسانا می‌باشد. این ضریب زمانی که جریان الکتریکی و حرارتی هم جهت باشند، مثبت است.

اثر پلتیر

اثر پلتیر بیان می‌کند که وقتی جریان الکتریکی از مداری با دو رسانای غیر هم جنس عبور می‌کند، انرژی گرمایی از یک اتصال گرفته و در اتصال دیگر جذب می‌شود این امر باعث می‌شود اولی سردتر و دومی گرم‌تر شود. به همین دلیل گرادیان حرارتی از جریان عبوری ایجاد می‌شود که برعکس اثر سی بک است.
اگر QC حالت سرد بر حسب وات و QH حالت گرم در وات باشد، I جریانی است که از مدار بسته عبور می‌کند.
QC or QH = β × I
توجه: β ضریب دیفرانسیل پلتیر بین دو ماده‌ی A و B بر حسب ولت می‌باشد.
اثر پلتیر از طریق آزمایش به قرار زیر بررسی می‌شود:
شرح اثر پلتیر
اثر پلتیر
همان طور که مشاهده کردید، دو تکه از سیم مسی به دو انتهای باتری متصل شده است. آن گاه این دو تکه به کمک سیم
بیسموت که دستگاه را کامل می‌کند به هم وصل می‌شوند.
همان طور که می‌بینید طبق توضیحی که در بالا گفته شد وقتی مدار بسته می‌شود، گرادیان حرارتی که توسط اثر پلتیر پیش بینی شده بود، ایجاد می‌شود. در اتصالی که در آن جریان از سیم به بیسموت می‌رسد، دما افزایش می‌یابد در حالی که در نقطه‌ای جریان از بیسموت به سیم می‌رود دما کاهش می‌یابد.

چگونه اثر پلتیر کار می‌کند؟

اثر پلتیر به این دلیل رخ می‌دهد که انرژی متوسط الکترون‌هایی که در انتقال جریان الکتریکی شرکت دارند برای رساناهای مختلف
متفاوت است. این موضوع به چند عامل وابسته است که شامل طیف انرژی الکترون‌ها، چگالی آن‌ها در رسانا و پراکندگی آن‌ها
تحت اثر ولتاژ معین اعمال شده می‌باشد.
در اتصال دو رسانای غیر هم جنس، الکترون‌ها از یک رسانا به دیگری می‌روند. بسته به جهت جریان بار الکتریکی، این الکترون‌ها
انرژی اضافی خود را به اتم‌های مجاور منتقل می‌کنند یا از آن‌ها انرژی می‌گیرند. در اولی گرما به خودی خود ناپدید می‌شود در
حالی که در دومی جذب می‌شود.

کاستی‌ها (نقاط ضعف)

1) نقطه ضعف اصلی اثر پلتیر کم بودن راندمان آن است. جریان عبوری خود معمولا مقدار چشم گیری گرما تولید می‌کند
که به اتلاف گرمای کلی اضافه می‌شود. در کاربردهای بزرگ‌تر، این امر منجر به تولید گرمای زیادی می‌شود که قابل توجه است و معمولا مجبورند فن‌های بیشتری به کار گیرند تا این مشکل را حل کنند.
2) این اثر مقدار الکتریسیته‌ی زیادی به کار می‌برد که استفاده از آن را در کاربردهایی با مقیاس بزرگ پر هزینه می‌نماید.
3) اگر قطعات دستگاه‌های پلتیر بسیار زیاد سرد شوند، این کار موجب میعان گاز و کوتاه شدن مدار می‌شود.

فواید

1) فایده‌ی مهم اثر پلتیر این است که ما را قادر می‌سازد تا تجهیزاتی گرمایی یا سرمایی‌ بسازیم که هیچ بخش متحرکی
ندارند و از آنجایی که آن‌ها با کولرها و بخاری‌های سنتی مقایسه می‌شوند بنابراین احتمال خراب شدن آن‌ها بسیار کم است. همچنین این دستگاه‌ها تقریبا نیاز به هیچ نوع نگه داری ندارند.
2) دستگاه‌های پلتیر هنگام کار بی صدا هستند و از لحاظ علمی می‌توانند به دماهای پایین 80- درجه‌ی سانتی گراد
(F˚176-) دست یابند.
3) اثر پلتیر به طور موثر در سطح میکروسکوپیک می‌تواند به کار گرفته شود که در این موارد روش‌های خنک کننده‌ی
سنتی کارایی ندارند.

کاربرد اثر پلتیر

این اثر برای ساخت دستگاه‌های پلتیر به کار گرفته می‌شود که دستگاه‌های حالت جامد هستند و از این اثر برای خنک کردن یا گرم کردن استفاده می‌کنند. معمولا این دستگاه‌ها شامل گرم کن پلتیر، پمپ حرارتی، خنک کن و یخچال حالت جامد
می‌باشند.
هنگامی که جریان مستقیم از دستگاه پلتیر عبور می‌کند، گرما از یک سمت دستگاه به سمت دیگر می‌رود که باعث می‌شود مانند گرم کن یا خنک کن عمل کند. همه‌ی دستگاه‌های پلتیر به این روش کار می‌کنند یعنی با استفاده از جریان الکتریکی توسط انتقال گرما از سمتی به سمت دیگر مخالف گرادیان گرمایی .

چند کاربرد از دستگاه‌های پلتیر:

1) استخراج آب: اثر پلتیر در دستگاه‌های رطوبت‌زا برای فرایند گرفتن آب از هوا استفاده می‌شود.
2) ساخت/ترکیب DNA: چرخه‌ی گرمایی از این اثر برای مراحل ساخت DNA استفاده می‌کند.
3) سفینه‌های فضایی (فضا پیماها): اثر پلتیر در فضا پیماها به منظور تعدیل اثرات انعکاس نور خورشید بر هر دو قسمت سفینه
استفاده می‌شود. این پدیده به پخش کردن گرما کمک می‌کند زیرا به دلیل تابش مستقیم نور خورشید، یک سمت سفینه نسبت به سمت دیگر که نور خورشید را دریافت نمی‌کند سردتر است.