ترموالکتریسیته : جادوی تبدیل گرما به برق
مقدمه: از کشف اتفاقی تا فناوری پیشرفته
در سال ۱۸۲۱ میلادی، فیزیکدان آلمانی-استونیایی به نام توماس یوهان زبک4 مشغول انجام آزمایشی ساده بود. او دو قطعه سیم از جنس مس و بیسموت را به یکدیگر متصل کرده و محل اتصال آنها را حرارت داد. با کمال تعجب مشاهده کرد که عقربهٔ قطبنمای مغناطیسی که در نزدیکی این مدار قرار داشت، منحرف شد! این انحراف نشاندهندهٔ ایجاد یک میدان مغناطیسی در اطراف سیمها بود و همانطور که میدانیم، میدان مغناطیسی تنها در اطراف یک جریان الکتریکی به وجود میآید. بنابراین، زبک به طور اتفاقی کشف کرد که گرما میتواند مستقیماً موجب ایجاد جریان الکتریکی شود. این کشف پایهگذار علم ترموالکتریسیته شد.
برای درک بهتر، فرض کنید دو میلهٔ فلزی، یکی از جنس آهن و دیگری از جنس کنستانتان5، را به شکل یک حلقه به هم لحیم کردهایم. اگر یکی از محلهای اتصال را با فندک گرم کنیم و دیگری را در یخ قرار دهیم (یعنی بین دو اتصال اختلاف دما ایجاد کنیم)، در این حلقهٔ بسته جریان بسیار کوچکی شروع به گردش میکند. این همان اصل بنیادی اثر زبک است.
| عنصر کلیدی | توضیح | مثال ساده |
|---|---|---|
| دو مادهٔ غیرهمجنس | برای وقوع پدیده، باید از دو مادهٔ رسانای متفاوت استفاده شود. | مس و آهن، یا بیسموت و آنتیموان |
| اتصال حرارتی | دو ماده باید در یک یا چند نقطه به خوبی به هم متصل (مثلاً لحیم) شوند. | لحیم کردن نوک دو سیم مسی و آهنی |
| اختلاف دما (ΔT) | بین دو نقطه از مدار (معمولاً دو محل اتصال) باید اختلاف دما وجود داشته باشد. | یک اتصال در دست (گرم) و دیگری در یخ (سرد) |
| خروجی | ایجاد یک ولتاژ و جریان الکتریکی مستقیم (DC) در مدار. | چرخش عقربهٔ یک گالوانومتر6 حساس |
درونمایهٔ علمی: الکترونهای پرجنبوجوش چگونه جریان میسازند؟
برای فهم دلیل این پدیده، باید رفتار الکترونهای آزاد درون فلزات را بررسی کنیم. در هر فلز، تعداد بسیار زیادی الکترون آزاد وجود دارد که میتوانند به راحتی حرکت کنند. با گرم کردن یک سر فلز، انرژی الکترونهای آن ناحیه افزایش مییابد و آنها جنبوجوش بیشتری پیدا میکنند (مانند توپهای بیلیاردی که با ضربه سریعتر حرکت میکنند). این الکترونهای پرانرژی تمایل دارند به مناطق سردتر که انرژی کمتری دارند، مهاجرت کنند.
حالا اگر دو فلز مختلف (مثلاً A و B) را به هم وصل کنیم، میزان این تمایل به مهاجرت در آنها یکسان نیست. فرض کنید در فلز A، الکترونها علاقهٔ بیشتری برای حرکت از ناحیه گرم به سرد دارند تا در فلز B. وقتی محل اتصال این دو فلز را گرم میکنیم، الکترونها در هر دو فلز تحریک میشوند، اما به دلیل این تفاوت ذاتی، تعداد خالص الکترونهایی که از فلز A به B میروند، با تعداد خالص الکترونهایی که از B به A میروند، برابر نیست. این مهاجرت خالص الکترونها، در واقع همان ایجاد جریان الکتریکی است. به اختلاف پتانسیل ایجاد شده در اثر این جابجایی، ولتاژ ترموالکتریک یا ولتاژ زبک میگویند.
$V = S_{AB} \times \Delta T$
که در آن $S_{AB}$ یک عدد ثابت به نام ضریب زبک7 است. این ضریب برای هر جفت ماده مقدار خاصی دارد و واحد آن ولت بر کلوین (V/K) است. هرچه این ضریب بزرگتر باشد، برای یک اختلاف دمای مشخص، ولتاژ بیشتری تولید میشود.
ساختار یک مولد ترموالکتریک: از جفتهای ترموالکتریک تا ماژول
یک جفت سیم متصل شده، ولتاژ بسیار کوچکی تولید میکند (در حد میلیولت). برای دستیابی به ولتاژ و توان قابل استفاده، باید تعداد زیادی از این اتصالات را به صورت مناسب به هم متصل کرد. به هر زوج از مواد نیمههادی یا فلزی متفاوت که یک اتصال گرم و یک اتصال سرد دارند، یک جفت ترموالکتریک8 میگویند. در فناوری جدید، به جای فلزات، از نیمهرساناها9 استفاده میشود زیرا ضریب زبک به مراتب بزرگتری دارند.
این جفتها را معمولاً به صورت سری الکتریکی (برای افزایش ولتاژ) و موازی حرارتی (همه در معرض یک اختلاف دمای مشترک) قرار میدهند. مجموعهای از این جفتها که بین دو صفحهٔ سرامیکی محصور شدهاند، یک ماژول ترموالکتریک10 را تشکیل میدهند. هنگامی که یک طرف این ماژول گرم و طرف دیگر آن خنک نگه داشته شود، میتوان از پایههای الکتریکی آن برق گرفت.
| نوع ماده | مثالها | کاربرد معمول | مزایا |
|---|---|---|---|
| فلزات (قدیمی) | مس-کنستانتان، آهن-کنستانتان | ترموکوپل برای اندازهگیری دما | ارزان، بادوام |
| نیمهرساناهای متداول | بیسموت تلوراید (Bi₂Te₃)، سرب تلوراید (PbTe) | ماژولهای تولید برق و خنککنندههای ترموالکتریک | کارایی خوب |
| مواد پیشرفته | اسکوترودایتها، نانوساختارها | تحقیقاتی، کاربردهای فضایی ویژه | پتانسیل کارایی بسیار بالا |
تبدیل ایده به واقعیت: کاربردهای ترموالکتریسیته در زندگی و فناوری
شاید فکر کنید این پدیده فقط یک آزمایشگاه فیزیک است، اما کاربردهای عملی فراوانی دارد که برخی از آنها عبارتند از:
۱. منبع برق فضاپیماها: یکی از شناختهشدهترین کاربردها در ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ11 است. در کاوشگرهای فضایی مانند ویجر، کیوریاسیتی و نیوهورایزنز که به دور از خورشید کار میکنند، از سلولهای خورشیدی نمیتوان استفاده کرد. در عوض، از گرمای حاصل از واپاشی یک ماده رادیواکتیو (مثل پلوتونیم-۲۳۸) استفاده میشود. این گرما یک طرف ماژولهای ترموالکتریک را داغ نگه میدارد و طرف دیگر در خلأ سرد فضای عمیق قرار دارد. اختلاف دمای ایجاد شده، برق مداومی برای ابزارهای علمی و ارتباطی فضاپیما تولید میکند.
۲. بازیابی حرارت تلفشده: ماشینها، کارخانهها و حتی خودروها مقدار زیادی گرما به عنوان ضایعات تولید میکنند. میتوان با نصب ماژولهای ترموالکتریک روی اگزوز خودرو یا دودکش کارخانه، بخشی از این گرمای هدررفته را به برق تبدیل کرد. این برق میتواند برای شارژ باتری یا تغذیهٔ سیستمهای کممصرف خودرو استفاده شود و در مصرف سوخت صرفهجویی کند.
۳. یخچالهای ترموالکتریک بدون گاز و کمصدا: اثر زبک قابل معکوس شدن است! یعنی اگر به یک ماژول ترموالکتریک جریان الکتریکی بدهیم، بین دو طرف آن اختلاف دما ایجاد میشود (یک طرف سرد و طرف دیگر داغ میشود). از این اصل در ساخت خنککنندههای ترموالکتریک استفاده میشود. این یخچالهای کوچک برای خنک کردن قطعات الکترونیکی حساس، نگهداری دارو در سفر یا حتی در صندلیهای خنککنندهٔ برخی خودروهای لوکس به کار میروند. برخلاف یخچالهای معمولی، آنها قطعهٔ متحرک ندارند، بیصدا هستند و به گاز مبرد نیاز ندارند.
۴. تولید برق در مناطق دورافتاده: میتوان از اختلاف دمای طبیعی برای تولید برق استفاده کرد. مثلاً با قرار دادن یک طرف ماژول در خاک (که دمای نسبتاً ثابتی دارد) و طرف دیگر در معرض آفتاب، یا استفاده از اختلاف دمای آبهای سطحی و عمیق دریا، میتوان برق کماما پیوسته برای حسگرهای محیطی یا ایستگاههای کوچک تولید کرد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. اثر زبک ذاتاً به اختلاف در ویژگیهای دو مادهٔ متفاوت بستگی دارد. در یک فلز واحد، اگر یک سر را گرم و سر دیگر را سرد کنیم، الکترونها از سر گرم به سرد مهاجرت میکنند، اما چون ماده یکسان است، این جابجایی در نهایت متوقف میشود و یک اختلاف پتانسیل ثابت و بسیار کوچک (اثر تامسون) ایجاد میکند که قابل استفاده برای تولید جریان پیوسته در یک مدار بسته نیست. برای تولید جریان پیوسته، حتماً به یک مدار بسته متشکل از حداقل دو مادهٔ متفاوت نیاز داریم.
پاسخ: بزرگترین مشکل، بازده تبدیل انرژی12 پایین آن است. بازده یک ماژول ترموالکتریک خوب در حال حاضر تنها حدود ۵% تا ۱۰% است. این به معنای آن است که بیش از ۹۰% انرژی حرارتی تلف میشود. دلیل اصلی این است که مواد ترموالکتریک هم رسانای خوب الکتریسیته (برای جریان خوب) و هم عایق خوب حرارتی (برای حفظ اختلاف دما) باید باشند که یافتن موادی با هر دو این ویژگیها به طور همزمان دشوار است. همچنین هزینهٔ مواد با کارایی بالا اغلب زیاد است.
پاسخ: ترموکوپل دقیقاً بر اساس اثر زبک کار میکند! در واقع یک ترموکوپل، سادهترین شکل یک مولد ترموالکتریک است. در ترموکوپل، یک محل اتصال (اتصال اندازهگیری) در معرض دمای ناشناخته قرار میگیرد و اتصال دیگر (اتصال مرجع) در دمای معلومی نگه داشته میشود. ولتاژ تولید شده (که بسیار کوچک و در حد میلیولت است) با اختلاف این دو دما رابطهٔ مستقیم دارد. بنابراین با اندازهگیری این ولتاژ، میتوان دمای محل اتصال را به دقت محاسبه کرد. این وسیله یکی از قدیمیترین و پرکاربردترین ابزارهای استفاده از اثر ترموالکتریک است.
پاورقی
1 ترموالکتریسیته (Thermoelectricity): به طور کلی به پدیدههای مرتبط با ارتباط مستقیم بین گرما و الکتریسیته، به ویژه اثر زبک، اطلاق میشود.
2 غیرهمجنس (Dissimilar): از جنس یا نوع متفاوت.
3 اختلاف پتانسیل الکتریکی (Electric Potential Difference): که به طور معمول «ولتاژ» نامیده میشود و عامل حرکت بارهای الکتریکی است.
4 توماس یوهان زبک (Thomas Johann Seebeck): فیزیکدان (۱۷۷۰-۱۸۳۱) که اثر زبک را کشف کرد.
5 کنستانتان (Constantan): یک آلیاژ از مس و نیکل که ضریب دمایی مقاومت الکتریکی آن بسیار پایین است.
6 گالوانومتر (Galvanometer): وسیلهای حساس برای اندازهگیری جریانهای الکتریکی بسیار کوچک.
7 ضریب زبک (Seebeck Coefficient): معیاری از توانایی یک ماده برای تولید ولتاژ ترموالکتریک به ازای هر واحد اختلاف دما.
8 جفت ترموالکتریک (Thermocouple): یک جفت رسانا از مواد مختلف که برای ایجاد ولتاژ بر اثر اختلاف دما یا اندازهگیری دما به کار میرود.
9 نیمهرسانا (Semiconductor): موادی مانند سیلیسیم یا بیسموت تلوراید که رسانایی الکتریکی آنها بین رسانا و عایق است و با افزودن ناخالصی قابل تنظیم است.
10 ماژول ترموالکتریک (Thermoelectric Module): مجموعهای از جفتهای ترموالکتریک که به صورت الکتریکی سری و حرارتی موازی بسته شدهاند.
11 ژنراتور ترموالکتریک رادیوایزوتوپ (Radioisotope Thermoelectric Generator - RTG): وسیلهای که از گرمای حاصل از واپاشی مواد رادیواکتیو و ماژولهای ترموالکتریک برای تولید برق استفاده میکند.
12 بازده تبدیل انرژی (Energy Conversion Efficiency): نسبت انرژی مفید خروجی (برق) به کل انرژی ورودی (حرارت).
13 ترموکوپل (Thermocouple): یک حسگر دما که از دو سیم غیرهمجنس ساخته شده و بر اساس اثر زبک کار میکند.
