אפקט סיבק

אפקט סיבק הוא אפקט פיזיקלי המשמש למדידה מדויקת ורגישה מאוד של טמפרטורה וליצירת כוח חשמלי (חוק קולון) על ידי הפרש טמפ' בין שני צמתים. זו תופעה בה מתח נוצר בפרופורציה להפעלת גרדיאנט טמפרטורה. האפקט התגלה על ידי הפיזיקאי תומאס יוהאן סיבק (1831-1770) בשנת 1822.

כאשר יוצרים מעגל חשמלי משתי מתכות שונות ובכל צומת טמפרטורה שונה יווצר פוטנציאל חשמלי לאורך גרדיאנט הטמפרטורה.

זרם נוצר בין שני צמתים בטמפ' שונות, המחברים שתי מתכות שונות

את הטמפרטורות אפשר למדוד בעזרת צמד תרמי אשר מודד את הפרש הפוטנציאל בין שני הצמתים וזה פרופורציונלי להפרשי הטמפרטורה.

תופעה זו נכללת באפקט התרמו-אלקטרי.

אפקט סיבק הוא דוגמה קלאסית לכוח אלקטרו-מניע (EMF) המייצר מתחים וזרמים חשמליים שניתן למדוד.

גילוי האפקט

סיבק שם לב לסטיית מחט מצפן כאשר היא נמצאת בלולאה סגורה בין שתי מתכות שונות או מוליכים למחצה המחוברים בשני צמתים בעלי הפרש טמפרטורה. בעקבות תצפית זו, בשנת 1822 סיבק הכריז שהפרש טמפרטורות יכול ליצור מגנטיזציה.

לאחר מכן גילה ארסטד את האינטראקציה בין הזרם החשמלי והמחט המגנטית. בעקבותו חוקרים רבים אחרים חקרו את הקשר בין זרמים חשמליים ושדות מגנטיים ביניהם אנדרה מרי אמפר, ז'אן-בטיסט ביו, פליקס סבר, פייר-סימון לפלסס ולבסוף הוצע שהתצפית של סיבק לא נגרמה כתוצאה מהמגנטיזציה אלא כתוצאה מזרם תרמו-אלקטרי הזורם במעגל סגור.

לאחר גילוי האלקטרון ומטענו הבסיסי, הבינו שאפקט סיבק הוא זרם חשמלי מושרה שלפי חוק אמפר יוצר את השדה המגנטי ומטה את מחט המצפן.

הסבר פיזיקלי

הפרש טמפרטורה מייצר פוטנציאל חשמלי המניע זרם חשמלי במעגל סגור.

במתכות אלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות לאורך המתכת כולה, מבלי להיות קשורים לגרעיני האטום. הימצאותם של האלקטרונים החופשיים מאפשרת מוליכות חשמלית טובה והולכת חום.

האלקטרונים החופשיים נמצאים בצפיפות שונה במתכות שונות, כאשר מצמידים שתי מתכות שונות אחת לשנייה, אלקטרונים מהמתכת בעלת הצפיפות הגבוהה יעברו למתכת בעלת הצפיפות הנמוכה. מעבר האלקטרונים הזה יוצר מתח חשמלי, המתכת שהייתה יותר צפופה בהתחלה איבדה אלקטרונים ולכן תהיה טעונה חיובית והמתכת שאליה עברו האלקטרונים תטען במטען שלילי.

איור המדגים את מעבר האלקטרונים מהמתכת הצפופה יותר לפחות צפופה ומהאזור החם לקר לכדי יצירת מתח

צפיפות האלקטרונים יכולה להשתנות גם בעקבות חימום המתכת. במתכת רגילה (לא טעונה) צפיפות האלקטרונים תהיה אחידה לאורך כל המתכת, אם נחמם צד אחד של המתכת האלקטרונים ינועו לצד ה"קר" יותר, צפיפות האלקטרונים כבר לא תהיה אחידה וזה יצור הפרש מתחים בין קצוות המתכת.

אפקט סיבק מדגים שילוב של שתי תכונות אלו, כאשר הצמתים מוחזקים בטמפרטורות שונות נגרם שינוי בצפיפות האלקטרונים וכתוצאה מכך נוצר זרם בחוט, ובנקודת המגע האלקטרונים זורמים מהצפיפות הגבוהה לנמוכה ונוצר מתח מגע.

צפיפות הזרם נתונה על ידי:

$J=\sigma (-\nabla V+E_{emf})$

כאשר V הוא המתח המקומי, $\sigma$ היא המוליכות המקומית.

$E_{emf}$ הוא השדה האלקטרו-מניע המבוטא גם על ידי:

$E_{emf}=-S\nabla T$

כאשר S הוא מקדם סיבק ו $\nabla T$ הוא גרדיאנט הטמפרטורה.

מקדם סיבק

מקדם סיבק (thermopower) הוא מאפיין של החומר. המקדם משתנה כפוקנציה של הטמפרטורה ותלוי בהרכב המוליך.

כאשר $J=0$ אפשר לכתוב את גרדיאנט המתח כך: $\Delta V=S\Delta T$

קשר זה משמש למדידת הפרשי הטמפרטורה בעזרת צמד תרמי.

יישומים של אפקט סיבק

• ייצור חשמל - גנרטורים תרמו-אלקטרים
• מדידת טמפרטורה על ידי צמד תרמי ותרמוסטט
• אפקט פלטייה ליצירת מקררים קומפקטיים ללא נוזל או חלקים נעים

האפקט מייצר אפשרות למחקר עתידי ליצירת כוח חשמלי ללא תחזוקה ולניצול אנרגיה מ'פסולת' של חום.

ראו גם

• לוח תרמו-אלקטרי
• פיזיקה סטטיסטית

לקריאה נוספת

• Timothy P. Hogan, Encyclopedia of Pyhsical Science and Technology, Academic press, 2003
• I Terasaki, 13-Introduction to thermoelectricity, WP, 2005

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא אפקט סיבק בוויקישיתוף

• תומאס יוהאן ג'ונסון באנציקלופדיה בריטניקה
• אבי סאייג, כיצד עובד מדחום דיגיטלי?, מכון דוידסון
• צמד תרמי אפקט סיבק נקודות היתוך ותרמיסטור, אוניברסיטת בן-גוריון
• אפקט סיבק, TechTarget
• Sensors for Power Electronics, באתר sciencedirect

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

29318807אפקט סיבק