אפקט פלטייה

אפקט פלטייה הוא אפקט פיזיקלי המאפשר מעבר חום בעקבות מעבר של זרם חשמלי בין מוליכים חשמליים שונים. כשזרם חשמלי עובר דרך מעגל של שני מוליכים או מוליכים למחצה שונים, בין שני הצמתים נוצרים הפרשי טמפרטורות בהתאם לכיוון הזרם. האפקט קרוי על שם המדען הצרפתי ז'אן צ'ארלס פלטייה (Jean-Charles-Athanase Peltier) שגילה אותו בשנת 1834.

אפקט פלטייה הוא האפקט ההופכי לאפקט סיבק ושני האפקטים נכללים באפקט התרמו- אלקטרי.

בתעשייה משתמשים באפקט במוליכים למחצה (שם האפקט חזק יותר) על מנת ליצור מכשירי קירור מדויקים, ומשאבות חום תרמו-אלקטריות.

היסטוריה

בשנת 1821, תומאס סיבק גילה את אפקט סיבק, שמראה שהפרשי טמפרטורות במעגל עם שתי מתכות שונות גורם להפרש פוטנציאלים ובכך לזרם במעגל. בשנת 1834, בעוד פלטייה חוקר את אפקט סיבק, הוא שם לב שגם האפקט ההפוך קורה, ושנוצר הפרש טמפרטורות בעקבות מעבר זרם. עם זאת, גם הוא וגם סיבק לא הצליחו להסביר פיזיקלית מדוע זה קורה- זאת עשה הפיזיקאי וויליאם תומפסון, שגם הוכיח את הקשר בין האפקטים . עד לשנת 1930 לא מצאו שימוש תעשייתי לאפקט, עד שקבוצת מדענים רוסים החלו לחקור אותו מחדש, מה שהוביל להתפתחות של מכשירים תרמו-אלקטרים שימושיים.

הסבר פיזקלי

הזרם חשמלי עובר דרך מעגל המכיל שני מוליכים עם מקדמי פלטייה שונים, ניתן לצפות באפקט של קירור בצומת אחד, וחימום בצומת השני, והאפקט הוא מה שמתאר את שינויי הטמפרטורה.

הזרם החשמלי העובר דרך הצומת המחברת בין שני מוליכים שונים, יגרום לשחרור\ספיגה של חום על מנת לאזן את ההבדל בפוטנציאל הכימי ביניהם.

האנרגיה הממוצעת של האלקטרונים המועברים בזרם החשמלי שונה עבור מוליכים שונים, ותלויה במספר גורמים כמו רמת האנרגיה של האלקטרונים והריכוז שלהם במוליך ופיזור תחת השפעת מתח. בצומת בין שני המוליכים השונים האלקטרונים עוברים ממוליך אחד לאחר (תלוי בכיוון הזרם). אותם אלקטרונים יכולים להעביר את האנרגיה העודפת שלהם לאטומים המקיפים אותם, או לחלופין לשאוב אנרגיה מהסביבה. בשני במקרים אנרגיה תומר לחום\ חום ישאב מהסביבה לאנרגיה (אפקט קירור).

מאחר שבזרם חשמלי בטור כמות המטען בהכרח שווה, נובע שמעבר מטען, כלומר זרם חשמל, בין מוליכים בעלי מקדמי פלטייה שונים יפלוט או ייבלע חום - חום ייפלט במעבר ממוליך בעל מקדם פלטייה גבוה לנמוך, וייבלע במעבר הפוך.

החום הנוצר בצומת ליחידת זמן מתואר על ידי הקשר הבא:

${\textstyle {\frac {dQ}{dt}}=(\Pi _{a}-\Pi _{b})I}$

כאשר מתקיים :${\frac {dQ}{dt}}$ זה הנגזרת של החום בזמן, $\Pi _{a},\Pi _{b}$ הם מקדמי פלטייה, ו-$I$ זה הזרם שעובר במעגל.

מקדם פלטייה

מקדם פלטייה אופייני לכל מוליך, והוא מתאר את כמות החום הנישאת ליחידת מטען העובר במוליך.

קיים קשר בין מקדם פלטייה למקדם סיבק, והוא מתואר על ידי:

$\Pi =ST$

כאשר $\Pi ,S$ מקדמי סיבק ופלטייה בהתאמה, ו$T$ זה הטמפרטורה.

בגלל הקשר הזה, מקדם פלטייה כמעט ואינו נמדד באופן ישיר, מהסיבה הפרקטית שקשה למדוד באופן מדויק חום שנפלט. לעומת הבדלי טמפרטורה והבדלי מתחים (הגורמים למקדם סיבק)- מה שהופך את מקדם סיבק לפשוט יותר למדידה, ומכך את ההמרה לפשוטה.

שימושים בתעשייה

אפקט פלטייה פחות יעיל מאמצעי קירור יומיומיים בגלל שיש לו נצילות נמוכה אם כי יש לו גם יתרונות בתעשייה. האפקט מאפשר לבנות מכשיר חימום\קירור ללא חלקים נעים ובכך מפחית את הסיכון לכשלים מכניים, בנוסף, הוא שקט ויכול להיות אפקטיבי גם ברמה מיקרוסקופית (בניגוד לשיטות הקירור הקונבנציונליות המבוססות דחיסה).

בתעשייה משתמשים בעיקר במוליכים למחצה בגלל שהם מוליכים חום פחות טוב ובכך מקצינים את האפקט ואת הפרש הטמפרטורות.

שימושים:

• מקררים- מקררים אלקטרונים מדויקים, מצנני אוויר (CPU coolers)
• על חלליות- משתמשים באפקט כדי לאזן בין הצד בחללית שחשוף לשמש, שחם משמעותית מהצד השני
• תא פלטייה- תא פלטייה הוא רכיב אלקטרוני קטן המבוסס על האפקט

ראו גם

• אפקט סיבק
• מכניקה סטטיסטית
• Thermoelectric effect

לקריאה נוספת

• Encyclopedia of Materials: Science and Technology, 2002 (ספר באנגלית)
• Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 2016 (ספר באנגלית)
• https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/peltier-effect (באנגלית)
• https://www.britannica.com/science/Peltier-effect (אנציקלופדית בריטניקה- באנגלית)

קישורים חיצוניים

• 
  שגיאות פרמטריות בתבנית:בריטניקה
  פרמטרי חובה [ 1 ] חסרים

הערות שוליים

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

31894459אפקט פלטייה