האפקט של זבקר: איך הבדלים בטמפרטורה יוצרים חשמל

האפקט סבאק הוא תופעה הממירה הבדלים בטמפרטורה למתח חשמלי ולהיפך. הוא נקרא על שם הפיזיקאי הגרמני תומאס יוהאן סבאק, שגילה אותו בשנת 1821. אפקט הסבאק הוא הבסיס של זוגות טמפרטורה, יוצרות חשמל תרמיות וקלוריטרוניקה ספינית.

מהו אפקט הסבאק?

אפקט הסבאק מוגדר כיצירת פוטנציאל חשמלי (או מתח) בין שני מוליכים שונים או מוליכים полупроводников, соединенных в цепь и имеющих разницу температур между их соединениями. Напряжение пропорционально разнице температур и зависит от используемых материалов.

לדוגמה, זוג טמפרטורה הוא מכשיר המשתמש באפקט הסבאק כדי למדוד טמפרטורה. הוא מורכב משני חוטים עשויים מתכות שונות (כגון נחושת וברזל) שהן מחוברות בשני קצותיהם. קצה אחד מ노שם למקור חם (כמו להבה) והקצה השני נשמר קר (כמו במים קפואים). ההבדל בטמפרטורה בין הקצוות יוצר מתח בין החוטים, שניתן למדוד באמצעות וולטמטר.

אפקט הסבאק יכול גם לשמש לייצור חשמל מחום פסול. יוצרת חשמל תרמית היא מכשיר המורכב מזוגות טמפרטורה מרובים המחוברים בטור או מקבילים. הצד החם של זוגות הטמפרטורה מחובר למקור חום (כמו מנוע או כבשן) והצד הקר מחובר לאסף חום (כמו אוויר או מים). ההבדל בטמפרטורה בין הצדדים יוצר מתח שיכול להפעיל מטען חשמלי (כמו נורה או מאוורר).

איך עובד אפקט הסבאק?

אפקט הסבאק ניתן להסבר על ידי התנהגות האלקטרונים במוליכים וב полупроводников. Электроны - это частицы с отрицательным зарядом, которые свободно перемещаются в этих материалах. Когда проводник или полупроводник нагревается, электроны получают больше кинетической энергии и начинают двигаться быстрее. Это вызывает их диффузию из горячей области в холодную, создавая электрический ток.

עם זאת, חומרים שונים יש להם מספר ואפיוני אלקטרונים שונים זמינים ל מוליכות. חלק מהחומרים יש להם יותר אלקטרונים מאשר אחרים, וחלק יש להם אלקטרונים עם אוריינטציות ספין שונות. ספין הוא תכונה קוונטית של אלקטרונים המשמעה שהם מתנהגים כמו מגנטים קטנים. כאשר שני חומרים עם מאפייני אלקטרונים שונים מחוברים יחד, הם יוצרים גבול שבו אלקטרונים יכולים להחליף אנרגיה וספין.

אפקט הסבאק מתרחש כאשר שני גבולות כאלה מוצאים להבדל בטמפרטורה. האלקטרונים בגבול החם מקבלים יותר אנרגיה וספין מהמקור החם ומעבירים אותם לאלקטרונים בגבול הקר דרך הלולאה. זה יוצר אי-איזון של מטען וספין בין הגבולות, שמוביל לפוטנציאל חשמלי ולשדה מגנטי. הפוטנציאל החשמלי דוחף זרם חשמלי דרך הלולאה, בעוד השדה המגנטי מפlects את מחץ המגנט הנמצא לידו.

מהן היישומים של אפקט הסבאק?

לאפקט הסבאק יש יישומים רבים במדע, הנדסה וטכנולוגיה. חלק מהם:

• זוגות טמפרטורה: אלו הם מכשירים שמשתמשים באפקט הסבאק כדי למדוד טמפרטורה بدقة ורגישות גבוהה. הם נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה, במעבדות ובבתי מגורים למגוון מטרות, כגון בקרה של תנורים, מעקב אחר מנועים, מדידת טמפרטורת גוף וכדומה.

• יוצרות חשמל תרמיות: אלו הן מכשירים שמשתמשים באפקט הסבאק כדי להמיר חום פסול לחשמל עבור יישומים מיוחדים, כגון הזנת ציוד החלל, חיישנים מרוחקים, שתלים רפואיים וכדומה.

• קלוריטרוניקה ספינית: זהו ענף בפיזיקה שמחקר איך חום וספין מתנהגים בחומרים מגנטיים. אפקט הסבאק משחק תפקיד חשוב בתחום זה, שכן הוא יכול ליצור זרמים ומתחים מספינים מadients טמפרטורה. זה יכול להוביל לעצמים חדשים לעיבוד ו אחסון מידע, כגון ספין בטריות, ספין טראנזיסטורים, ספין 밸בים וכדומה.

מהן היתרונות והגבילויות של אפקט הסבאק?

לאפקט הסבאק יש יתרונות וגבלות שמושפעים מהביצוע והיעילות שלו. חלק מהם:

• יתרונות: אפקט הסבאק פשוט, אמין ורב-משימתי. אין צורך בו חלקים נעים או מקורות חשמל חיצוניים. הוא יכול לפעול על פני טווח רחב של טמפרטורות וחומרים. הוא יכול לייצר חשמל מחום פסול שאחרת היה מתכלה.

• גבלות: אפקט הסבאק מוגבל בהזדמנות וpatibility של חומרים. הוא דורש חומרים בעלי מוליכות חשמלית גבוהה ומוליכות חום נמוכה כדי להשיג מתח גבוה ומחזור חום נמוך. הוא גם דורש חומרים עם מקדם סבאק שונה כדי ליצור הבדל מתח. המקדם של סבאק הוא תכונה המדידה כמה מתח נוצר לכל יחידת הבדל טמפרטורה עבור חומר נתון. המקדם של סבאק תלוי בסוג וריכוז נושאי מטען, רמות אנרגיה שלהם ויחסיהם עם הרשת. המקדם של סבאק יכול להשתנות בטמפרטורה, הרכב ומגנטית. מציאת חומרים עם מקדם סבאק גבוה ויציב היא אתגר ליישומים תרמיים.

מהן סוגים של חומרים המשמשים לאפקט הסבאק?

החומרים המשמשים לאפקט הסבאק ניתן לסווג אותם לשלוש קטגוריות: מתכות, полупроводники и сверхпроводники.

• מתכות: מתכות הן מוליכים טובים לחשמל ולחום. יש להם מקדם סבאק נמוך ומוליכות חום גבוהה, מה שהופך אותם לא יעילים ליישומים תרמיים. עם זאת, מתכות קלות לייצור וחיבור, ויש להם חוזק מכני יציבות גבוהה. מתכות נמצאות בשימוש נרחב בזוגות טמפרטורה, שם דיוק ועמידות חשובים יותר מאפקטיביות. דוגמאות לזוגות מתכת המשמשים בזוגות טמפרטורה הם נחושת-קונסטנטן, ברזל-קונסטנטן, כרום-אלומל ועוד.

• полупроводники: полупроводники - это материалы, у которых промежуточная электропроводность, которую можно контролировать путем легирования или применения электрического поля. Они имеют более высокие коэффициенты Себека и меньшую теплопроводность, чем металлы, что делает их более подходящими для термоэлектрических применений. Однако полупроводники труднее изготовить и подключить, и они имеют меньшую механическую прочность и стабильность, чем металлы. Полупроводники широко используются в термоэлектрических генераторах и охладителях, где эффективность и производительность важнее точности и долговечности. Примеры пар полупроводников, используемых в термоэлектрических устройствах, включают бисмут теллурид-сурьму теллурид, свинец теллурид-германий кремний и т.д.

• סופר מוליכים: סופר מוליכים הם חומרים שיש להם 저נגד חשמלי אפס מתחת לטמפרטורה קריטית. יש להם מקדם סבאק מאוד גבוה ומוליכות חום מאוד נמוכה, מה שהופך אותם לאידיאליים ליישומים תרמיים. עם זאת, סופר מוליכים הם מאוד נדירים ויקרים, ויש צורך בטמפרטורות מאוד נמוכות כדי לתפעל אותם, מה שמגביל את השימוש שלהם באופן מעשי. סופר מוליכים משמשים בעיקר למטרות מחקר, כגון חקר אפקט הסבאק הספיני, שהוא תופעה המעוררת מתח ספין מgradient טמפרטורה בחומר מגנטי.

מסקנה

אפקט הסבאק הוא תופעה מרתקת הממירה הבדלים בטמפרטורה למתח חשמלי ולהיפך. יש לו יישומים רבים במדע, הנדסה וטכנולוגיה, כגון זוגות טמפרטורה, יוצרות חשמל תרמיות, מקררים תרמיים וקלוריטרוניקה ספינית. אפקט הסבאק תלוי בחומרים המשמשים, במוליכות החשמלית, במוליכות החום ובמקדם סבאק שלהם. מציאת חומרים עם מקדם סבאק גבוה ויציב היא אתגר לשיפור היעילות והביצוע של מכשירים תרמיים.

הצהרה: כבוד לקוריIGINAL, מאמרים טובים שראויים לחלוקה, במידה והיו הפרות זכויות יוצרים אנא צור קשר למחיקה.