پایان‌نامه رایگان b (3756)

پیوست : مقاله
فصل اول
مقدمهای بر پدیده ترموالکتریک
1-1 : مقدمه
اثر ترموالکتریک1 عبارت است از: تولید جریان الکتریکی دریک رسانا به سبب اختلاف دما بین دو نقطه در آن. Thermoاز واژهی یونانی thermos به معنی گرما گرفته شده و electric صفت نسبی Electricity به معنی برق است. ترموالکتریسیته، همانطور که از نام آن بر می‌آید، به پدیده‌هایی اشاره دارد که انرژی گرمایی والکتریسیته را شامل میشود.
در سال 1821 دانشمندی به نام سیبک1 اولین گزارش مربوط به مشاهدات اثرات ترموالکتریکی را به فرهنگستان علوم پروسیان2 ارائه کرد. وی با گرم کردن محل اتصال دو رسانای نامتجانس توانسته بود بین دو سر دیگر آنها یک اختلاف پتانسیل ایجاد کند. علی رغم اینک سیبک فهم کاملی از این آزمایشات نداشت و نمی توانست این اثرات را به خوبی توجیه کند، اما توانست اثرات ترموالکتریکی را در رساناهای مختلف دیگر مشاهده کند.
13 سال بعد، یک ساعت ساز فرانسوی به نام پلتیه3 نتایج کم و بیش مشابهی را ارائه کرد و دومین اثر ترموالکتریکی را کشف نمود. او نشان داد که هر گاه جریان الکتریکی از محل اتصال دو رسانای متفاوت عبور داده شود، بسته به جهت جریان، فرآیند جذب یا تولید گرما انجام میشود. باید توجه داشت که این اثر کاملاً با اثر گرما مقاومتی ژول تفاوت دارد. پلتیه هم همانند سیبک به طور کامل نتوانست ماهیت فیزیکی نتایج بدست امده را توضیح دهد،اما در سال 1838، لنز4 نشان داد که آب در محل اتصال بیسموت- آنتیموان میتوانست یخ ببندد و چنانچه جهت جریان عوض میشد یخ تولید شده ذوب میشد.
تامسون5 که بعداً به لرد کلوین معروف شد، متوجه شد که میبایست بین اثر سیبک و اثر پلیته ارتباط وجود داشته باشد. او توانست این ارتباط را با استفاده از مباحث مربوط به ترمودینامیک مشخص و نتیجهگیری کند که باید یک اثر سوم ترموالکتریکی (که امروزه به اثر تامسون معروف است) نیز موجود
باشد. این اثر سوم ترموالکتریکی بدین معنی است که فرایند گرمایش یا سرمایش میتواند در رسانای همگن اتفاق بیافتد، اگر یک جریان الکتریکی در جهت گرادیان دمایی در آن وجود داشته باشد.
علی رغم این واقعیت که اثرات ترموالکتریکی برای مدت زمان طولانی شناخته شده است اما استفاده عملی از این اثرها تنها در چند دهه گذشته با ساخت ترموکوپل برای اندازه گیری دما و مجوعهای از ترموکوپل به نام ترموپایل برای آشکارسازی انرژی تابشی انجام شد. در هر دو وسیله فوق از اثر سیبک استفاده میشود که در آن تولید الکتریسیته توسط گرما انجام میشود. در ابتدا ترموکوپلهای ساخته شده دارای حساسیت بسیار پایین بودند اما امروزه با پیشرفت فن آوری ساخت مدار بهتر، حساسیت این ابزارها بسیار بالاست.
نظریه اساسی مربوط به تولید و فرایند سرد سازی اولین بار به طور رضایت بخشی توسط آلتن کرش1 مطرح شد. او نشان داد که برای مقاصد کاربردی مواد مورد استفاده میبایست دارای ضریب ترموالکتریکی بالا باشند. ضمناً لازم بود که رسانندگی الکتریکی آنها نیز بالا باشد تا گرمای ژول کمینه باشد. ویژگی سوم این مواد آن است که باید دارای رسانندگی گرمایی پایینی باشند تا افت انتقال گرما در آنها کم باشد.به هر حال شناخت ویژگیهای مواد و کشف موادی که دارای خصوصیات بالا باشند خود مسالهای پیچیده بود و محققان زیادی برای دستیابی به چنین موادی تحقیقات زیادی انجام دادند که نتیجه آن دستیابی به مواد نیمرسانا به جای رسانا، بود که اثرات ترموالکتریکی را به صورت بهتر در مقایسه با رساناها از خود نشان میدهند. امروزه استفاده از چنین موادی امکان ساخت مدارها و سرد کنندههای ترموالکتریکی با راندمان بالا را ممکن ساخته است.
1-2 : اثر سیبک
همان طور که قبلا اشاره شد، اثر سیبک توسط توماس جان سیبک ( 1770-1831) دانشمند آلمانی در سال ???? کشف شد.
مطابق شکل (1-1) سیبک دو میلهی مس و بیسموت را به هم متصل کرد و موازی با میلهها عقربهی مغناطیسی را قرار داد تا بتواند آزادانه حول محور قائمی بچرخد.
شکل (1-1): طرح گونه ای از آزمایش سیبک[1].
هنگامی که یک محل اتصال دو فلز به وسیلهی شعله گرم میشد، انحراف عقربهی مغناطیسی عبور جریان الکتریکی را در مدار نشان میداد. سیبک این آزمایش را با فلزهای متفاوت تکرارکرد و نتیجه گرفت که هرگاه اتصا لهای دو فلز ناهمجنس در دماهای متفاوت قرار گیرند نیروی محرک الکتریکی (e.m.f) در مدار تولید میشود[1].
پس اگر ماده‌ای که حاوی الکترونهای آزاد است در معرض جریان گرمایی قرار بگیرد به طوری که اختلاف دمای T)?) در دو طرف آن ایجاد شده، در این صورت با یک اختلاف پتانسیل مدار باز (V?)
روبرو خواهیم شد. برای یک جسم همگن و اختلاف دمای کوچک، رابطه میان اختلاف پتانسیل (V?) و اختلاف دما(T?)، چنین است [2و3و4]:
(1-1)
که در آن،S، ضریب ترمو الکتریک 1یا ضریب سیبک 2نامیده می‌شود. نام اخیر برای نیمرساناها متداول شده است. بدین ترتیب توان گرمایی بیان کننده بزرگی ولتاژ ترموالکتریکی ایجاد شده در مقابل اختلاف دمای موجود در ماده می باشد. یکای ضریب سیبک ولت بر کلوین (V/K) است، اما معمولا این ضریب بر حسب میکرو ولت بر کلوین بیان میشود و مقادیری بر حسب صدها میکرو ولت بر کلوین، منفی و یا مثبت، نشان دهنده یک ماده ترموالکتریک خوب است. با استفاده از رابطه(1-1)، می‌توان به معادله کلی‌تر زیر رسید[5]:
(1-2)
1-2-1 : عدد شایستگی3
عدد شایستگی یک قطعه با رابطه زیر بیان میشود[6و7]:
(1-3) ? / ?2S = Z
که درآنS ضریب سیبک، ? رسانندگی الکتریکی4و? رسانندگی گرمایی5 قطعه ترموالکتریک می باشد. معمولادر محاسبات از کمیت بدون بعد عدد شایستگی استفاده می شودکه با ضرب طرفین رابطه(1-3)
در T، به دست می آید.از رابطه(1-3)واضح است که یک ماده ترموالکتریک خوب باید دارای ویژگی های زیر باشد :
1- رسانندگی گرمایی پایین
2- رسانندگی الکتریکی بالا ( مقاومت الکتریکی پایین )
این پارامترها هر دو وابسته به دما هستند و بنابراین مقدار عدد شایستگی به دما وابسته است. مواد نیمرسانای نوع n و p نیز دارای مقدیر متفاوت عدد شایستگی هستند.
به منظور افزایش کمیت بدون بعد عدد شایستگی، باید ضریب سیبک و رسانندگی الکتریکی را افزایش و مقدار رسانندگی گرمایی را حتی الامکان کاهش دهیم. الکترونها و ارتعاشات شبکه هر دو در رسانندگی گرمایی مشارکت دارند[8]. در این میان مادهای به لحاظ ترموالکتریکی خوب است که مشارکت الکترونها در رسانندگی گرمایی کم باشد.
بنا بر قانون ویدمان – فرانتز1 داریم :
(1-4)
مشارکت الکترونها در رسانندگی گرمایی در یک دمای مشخص مقداری ثابت است[9]. لازم به ذکر است که این قانون در مورد گاز الکترون آزاد صادق می باشد.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

دیدگاهتان را بنویسید