جدول المحتويات
ما هي المواد الكهروحرارية؟
يمكن للمواد الكهروحرارية تحويل الحرارة مباشرة إلى طاقة كهربائية. تعتمد هذه الخاصية على تأثير سيبيك حيث يولد فرق درجة الحرارة المطبق على مادة ما جهدًا كهربائيًا. أما التأثير العكسي فهو تأثير بلتيير الذي يُستخدم عادةً للتبريد. أما التأثير الكهروحراري الثالث فهو تأثير طومسون، الذي يصف انتقال الحرارة على طول موصل حامل للتيار حيث يوجد تدرج في درجة الحرارة.
نظرًا لإمكانية استخدام الطاقة الحرارية مباشرة، أصبحت المواد الكهروحرارية الحرارية محور البحث والتطوير. فمن ناحية، يمكن استخدامها
نظرًا لأن الجهد الكهربائي الناجم عن تأثير سيبيك منخفض جدًا (عادةً ما يتراوح بين بضعة إلى بضع مئات من μV/K)، تُبذل جهود كبيرة لتطوير مواد كهربائية حرارية محسنة.
تأتي المواد الكهروحرارية الحرارية الكلاسيكية من مجموعة أشباه المعادن وأشباه الموصلات (المجموعة الرئيسية الرابعة إلى السادسة من أشباه الموصلات) أو هي عبارة عن سبائك من مواد من هذه المجموعات، حيث أن معامل سيبيك مرتفع بشكل خاص هناك. ويمكن زيادة تأثير السيبيك عن طريق التطعيم.
ما هو رقم الجودة؟
بشكل عام، درجة الجودة هي مقياس لمدى ملاءمة المواد أو الطرق أو الأجهزة مقارنة بالبدائل.
رقم الجدارة الكهروحرارية ZT ( رقم الجدارة “) يصف مدى ملاءمة المواد الكهروحرارية ويعرَّف على النحو التالي:
المعادلة 1
بالإضافة إلى أعلى معامل سيبيك ممكن، يجب أن تكون المواد الكهروحرارية منخفضة توصيل حراري منخفض وموصلية حرارية منخفضة وموصلية كهربائية عالية قدر الإمكان. فالمواد ذات الموصلية الحرارية العالية لا تسمح بتدرجات حرارة كبيرة؛ وإذا كانت الموصلية الكهربائية منخفضة، فلا يمكن الحصول على تيارات قابلة للاستخدام.
بالإضافة إلى ذلك، يرتبط رقم الجدارة وفرق درجة الحرارة ارتباطًا مباشرًا بالكفاءة η للوحدة الكهروحرارية، بحيث يزداد ذلك عندما يكون لـ ZT و ΔT قيم كبيرة
المعادلة 2
التحسين الأمثل للمواد الكهروحرارية
تُظهر مجموعة واسعة من فئات المواد تأثيرات كهروحرارية مختلفة القوة. ولفترة طويلة، كانت القيمة 1 تعتبر القيمة 1 هي الحد الأقصى لرقم الجدارة، ولكن اليوم تحقق بعض المواد المحسّنة قيم 2 أو أعلى.
كما يمكن أن نرى من المعادلة 1، هناك طريقتان مختلفتان لزيادة ZT: إما أن يتم تعظيم ما يسمى بعامل القدرة S2σ و/أو يمكن تقليل الموصلية الحرارية إلى الحد الأدنى. ولتحقيق ذلك، يتم تحسين المواد الموجودة، على سبيل المثال عن طريق التخدير، وتطوير مواد جديدة. ويمكن تحقيق هذا الأخير عن طريق الهيكلة النانوية، على سبيل المثال، حيث يقلل هذا إلى حد كبير من الموصلية الحرارية دون التأثير بشكل كبير على عامل القدرة. إذا تم استخدام الكهرباء الحرارية في الصناعة، فإن التكاليف والسمية وتوافر المواد أمر مهم.
قياس رقم الجدارة
- فمن ناحية، يمكن قياس المعلمات الفردية (معامل سيبيك والتوصيل الكهربائي والحراري) وحساب ZT وفقًا للمعادلة 1.
- من ناحية أخرى، من الممكن استخدام ZT مباشرةً عن طريق ما يسمى ب طريقة هارمان الطريقة.
1- الحساب وفقًا للمعادلة 1
هناك العديد من الأجهزة التجارية المختلفة متاحة للقياس شبه المتزامن للتوصيلية الكهربائية ومعامل سيبيك. عادةً ما يتم تحديد الموصلية الحرارية أو الانتشار الحراري باستخدام الليزر أو طريقة الوميض الضوئي. والنتيجة المباشرة لهذه الطريقة هي الانتشار الحراري. إذا كانت الكثافة والتوصيلية الحرارية النوعية معروفة.
هل يمكن حساب التوصيلية الحرارية من ذلك باستخدام المعادلة التالية؟
تعتمد كل هذه المتغيرات على درجة الحرارة.
2- التحديد باستخدام طريقة هارمان
المعادلة 4
المؤلفات:
[1] A. Alleno وآخرون، اختبار جولة روبن لعدم اليقين في قياس رقم الجدارة الكهروحرارية بدون أبعاد ل Co0.97Ni0.03Sb3، مراجعة الأدوات العلمية 86، 011301 (2015).
[2] T.C. Harman، مجلة الفيزياء التطبيقية 29، 1373 (1958).
[3] T. C. Harman, J. H. Cahn, and M. J. Logan, J. Appl. Phys. 30(9), 1351 (1959).
