أثر بلتيه وأثر طومسون

أثر بلتيه وأثر طومسون

أثر بلتيه وأثر طمسون ظاهرتان حراريتان كهربائيتان تستخدمان في القياسات الحرارية وفي تحقيق تحولات عكوسة بين الطاقة الحرارية والطاقة الكهربائية.

إن تحويل الحرارة مباشرة إلى طاقة كهربائية تحويلاً عكوساً يتم بثلاث ظواهر مترابطة هي: أثر سيبِك Seebeck وأثر بِلْتِيه وأثر طومسون. أما أثر سيبك فيتعلق بتولد قوة محركة كهربائية (ق.م.ك) في دارة كهربائية مكونة من ناقلين مختلفين جُعلت وُصلتاهما في درجتيْ حرارة مختلفتين. وأما أثر بلتيه فيرتبط بالحرارة المتولدة أو الممتصة في وصلة ناقلين مختلفين عندما يمر تيار كهربائي مستمر في هذه الوصلة. وأما أثر طومسون فيتصل بتولد الحرارة أو امتصاصها في ناقل وحيد يمر فيه تيار مستمر وتتدرج فيه درجة الحرارة تدرجاً منتظماً.

وتعرَّف هذه الآثار الكهرحرارية الثلاثة بدلالة معاملاتها: معامل الاستطاعة الكهرحرارية س ومعامل بلتيه بل ومعامل طومسون ط وذلك من أجل ناقل متجانس في درجة حرارة ثابتة. وترتبط هذه المعاملات بعضها مع بعض بعلاقات كلفن Kelvin التي تؤدي معرفة معلومات كاملة عن أحد لمعاملات فيها إلى معلومات كاملة عن الثلاثة معاً. لذلك يُكتفى بقياس أحدها وهو عادة س، إذ يَسْهل قياسه بدقة كبيرة. وهذه العلاقات هي:

س	=	بل	و	ط	=	تفا س
		د		د		تفاد

حيث د: درجة الحرارة المطلقة للناقل (الموصّل) conduetor.

أثر طومسون: Thomson effect

عندما يمر تيار كهربائي في ناقل درجة حرارته ثابتة فإنه تتولد فيه حرارة تتناسب مع مربع شدة التيار، أي أنها لاتتوقف على جهة التيار، وتعرف هذه الظاهرة بأثر (مفعول) جول Joule effect وهي ظاهرة لاعكوسة. في عام 1854 حاول وليم طومسون (لورد كلفن) تفسير الاختلاف بين نتائج قياس هذه الحرارة تجريبياً وما تعطيه الدراسة الترمودينامية النظرية،فافترض للتوفيق بينها وجود حرارة إضافية تتولد تولداً عكوساً حين يكون هناك تدرَّج في درجة حرارة الناقل دْ، وسميت هذه الحرارة «حرارة طومسون» وهي عكوسة، أي أن الناقل ينقلب من ناشرٍ للحرارة إلى ماص لها عندما تتغير جهة التيار أو جهة تدرَّج الحرارة (ولكن ليس إذا تم عكسها معاً في آن واحد). إن تدرُّج درجة الحرارة في الناقل المعدني الواحد ينجم عنه فرق كمون potential difference بين طرفيْ هذا الناقل يُعزى إلى تولد قوة محركة كهربائية منشؤها هذا التدرج. ولكن هذه القوى المحركة الكهربائية ذات قيم ضئيلة فهي +2.2 مكروفلط/دْ في النحاس و(-8.4) مكروفلط/دْ في الحديد (المكرو = 10^-6) وهي لاتولد تياراً كهربائياً في دارة مؤلفة من ناقل واحد، ولكن إذا كان هناك تدرج حراري في هذا الناقل ومر فيه تيار مستمر فإنه يضاف إلى حرارة جول حرارة عكوسة ناشئة عن أثر طومسون، وهي ذات قيمة ضئيلة جداً ويصعب قياسها.

أثر بلتيه Peltier effect

هو ظاهرة اكتشفها عام 1834 العالم بلتيه، إذ لاحظ أنه عند إمرار تيار كهربائي مستمر في وُصْلة سلكين معدنيين مختلفين تنخفض درجة حرارة الوصلة أو ترتفع تبعاً لجهة التيار فيها. فإذا مر تيار كهربائي مستمر في دارة كهربائية مكوَّنة من وصلتين لسلكين مختلفين فإن إحدى الوصلتين تبرد والأخرى تسخن. فأثر بلتيه هو إذن ظاهرة عكوسة كأثر طومسون بخلاف أثر جول الحراري غير العكوس.

وقد استُعملت في دراسة أثر بلتيه أزواج مختلفة من المعادن (حديد - نحاس) و(بزموت - نحاس)، ودلت التجارب على أن قوةً محركة كهربائية تتولد عن الوصلة وجهتها من البزموت إلى النحاس وسُميت هذه القوة « قوة بلتيه» .

يعرّف معامل بلتيه بل _{ب جـ} بأنه كمية الطاقة الحرارية المتولدة أو الممتصة في وصلة المادتين ب و جـ من جراء مرور شحنة كهربائية في الوصلة مقدارها كولون واحد.

ونظراً لصغر كمية الحرارة التي تصاحب أثر بلتيه وللتعقيدات الناجمة عن وجود أثر جول الحراري وأثر طمسون، فإن من الصعب قياس معامل بلتيه قياساً دقيقاً، لذلك يُحسب هذا المعامل عادة من علاقات كلفن التي سبق ذكرها باستعمال القيم التجريبية للمعامل س _{ب جـ} وقد دلت التجارب على أن معامل بلتيه مستقل عن شدة التيار وعن شكل الأسلاك الناقلة، ولايتوقف إلا على طبيعة المادتين ب، وجـ وعلى درجة حرارة الوصلة.

وقد استُفيد من أثر بلتيه في التبريد الكهرحراري الذي طُبِّق منذ عام 1960 باستعمال أنصاف النواقل semiconductors التي اكتشف فيها هذا الأثر، وبخاصة في المادة بزموت - تيلوريد bismuth -telluride التي تتميز بناقلية حراية ضعيفة مقارنة بالمعادن، وبقيمة معامل بلتيه الكبيرة التي تبلغ 120 ملّي فلط، في حين أنها 3 ملي فلط من أجل الوصلة « حديد - نحاس» ، و21 ملي فلط من أجل الوصلة « بزموت - نحاس» . ويتألف جهاز التبريد من صفيحة معدنية متصلة بسلسلة متناوبة من وصلتين من بزموت - تيلوريد، إحداهما من النوع السالب والأخرى من النوع الموجب بحيث تُمتص الحرارة عند الجانب الذي يراد تبريده بينما تنتشر الحرارة في الجانب الآخر. ويمكن قلب الجهاز إلى أداة تدفئة بعكس جهة التيار. وعلى الرغم من أن البرّاد الذي يعمل بأثر بلتيه لايضاهي البراد العادي تجارياً إلا أنه يفضّل استخدامه في أحوال خاصة مثل الرحلات الفضائية لصغر حجمه وخفة وزنه واعتماده على حركة الحرارة والكهرباء بدلاً من المحركات في البرادات الشائعة الاستعمال.

شمس الدين علي

الموضوعات ذات الصلة

أنصاف النواقل - القياسات الحرارية

مراجع للاستزادة

- شمس الدين علي وجورج طحانيس، تجارب متقدمة في فيزياء الجسم الصلب (منشورات جامعة حلب 1986).

- عبد الله واثق شهيد، االترموديناميك التقليدي (مطبوعات جامعة دمشق 1968).