العمود الكهربائي الحراري أوالبيل الكهرحراري Thermopile ، وسيلة مباشرة لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية، وذلك عن طريق توليد فرق في الكمون بين ملحمين من معدنين مختلفين موضوعين في منبعين حراريين متفاوتين في درجة الحرارة. إذا مردود هذه الوسيلة لتوليد الكهرباء ضعيف جداً، إلا حتى في الإمكان الإفادة من حرارةٍ عُرضة للضياع أومن حرارة الشمس المجانية.

أثر زيبِك

تصوَّر سلكين B وA من معدنين مختلفين تتألف منهما دارة كهربائية مغلقة ويلحم طرفاهما كما في الشكل (1)، فإذا جُعل الملحمان في درجتي حرارة مختلفتين: حارة Tc وباردة Tf، فإن تياراً كهربائياً يسري في الدارة. وهذا هوأثر زيبِك Seebeck effect نسبة إلى العالم الألماني الذي اكتشفه عام 1821. تعتمد القوة المحركة الكهربائية الناتجة بين الملحمين على مادتي السلكين اللتين خلق منهما الملحمان وعلى الفرق بين درجتي الحرارة Tc وTf.

المولِّد الكهرحراري

يتألف المولِّد الكهرحراري من الجزء المستقبِل الماص للحرارة من المنبع الحراري، والجزء المولِّد للحرارة المؤلَّف من التحام سلكين معدنيين من مادتين مختلفتين، والجزء المُصدِر الذي تتحرر فيه حرارة المولّد. يَعبُر هذا الجزءَ الأخير تدفقٌ حراري، وتيار كهربائي. وإذا كانت المقاومة الحرارية عالية؛ فإن التدفق الحراري يولِّد لدى عبوره انخفاضاً ملحوظاً في درجة الحرارة، ثم جهداً كهرحرارياً متناسباً معه، وعلى خلاف ذلك فإن مرور التيار الكهربائي يحتاج مقاومة ضعيفة.

إن مردود المولِّد الكهرحراري من هذا النوع هونسبة الاستطاعة الكهربائية Pel إلى الاستطاعة الحرارية Pth التي تجتاز الجزء المولِّد ويُعطى بالعلاقة:

ترمز To إلى درجة حرارة الوسط المحيط مقدرة بالكلفن و

إلى المعامل الكهرحراري للمزدوجة الكهرحرارية الذي يُعطى بدوره بالعلاقة:

حيث P1 وP2 الاستطاعة الكهرحرارية لمعدني المزدوجة مقارنة بمعدن مرجعي، وحيث ترمز L1 وL2 إلى معاملي لورنتز Lorentz للمعدنين.

المزدوجة الكهرحرارية من أنصاف النواقل

إذا صُنع ملحما المزدوجة الكهرحرارية من مواد نصف ناقلة، فإن القوة المحركة الكهربائية التي تولدها المزدوجة تكون أكبر كثيراً، وتكون الاستطاعة الكهرحرارية P، التي تُعَرَّف بأنها تساوي جهد (فرق كمون) الدارة المفتوحة بين ملحمي المزدوجة حينماقد يكون فرق درجتي الحرارة بين ملحميها مساوياً درجة مئوية واحدة، التي قيمتها بضع عشرات من الميكروفلط في حالة المزدوجات المعدنية، في حين أنها تتخطى الميلي فلط في المزدوجات الكهرحرارية نصف الناقلة. تتغير ناقلية المزدوجة الكهرحرارية نصف الناقلة بتغير درجة الحرارة تغيُّراً غير منتظم. ففي مادة نصف ناقلة من النوع n تزداد الناقلية في بادئ الأمر بازدياد درجة الحرارة، وذلك بسبب ازدياد عدد إلكترونات عُصابة النقل bande de conduction، إلا أنه بدءاً من درجة حرارة محدَّدة تكون جميع الذرات المانحة atomes donneurs قد أعطت إلكتروناتها، وليس لدى إلكترونات عُصابة التكافؤ bande de valence طاقة كافية للانتنطق إلى عُصابة النقل. وهذا يدعى مجال الاستنفاد région d’épuisement. أما إذا استمرت درجة الحرارة بالارتفاع؛ فإن إلكترونات عصابة التكافؤ تجتاز العصابة المحظورة وتصل إلى عصابة النقل فتزداد بالتالي الناقلية.

وللحصول على بيل كهرحراري أومولِّد كهرحراري لابد من حتى تتصف المزدوجة الكهرحرارية باستطاعة كهرحرارية عالية، وتبلغ هذه الاستطاعة في مزدوجات أنصاف النواقل قيمتها العظمى حينما تكون درجة الحرارة في مجال الاستنفاد.

ويعرَّف معامل الجدارة (facteur de mérite) f للمادة نصف الناقلة أنه:

حيث ترمز k إلى الناقلية الحرارية (أوالتوصيل الحراري) وc إلى الناقلية الكهربائية وT إلى درجة الحرارة المطلقة الوسطى لـ Tc وTf. أما p فترمز إلى الاستطاعة الكهرحرارية، واختير تلور الرصاص في الماضي لتصنيع المولِّدات الكهرحرارية، بيد أنه أصبحت فيما بعد تستخدم خلائط من المواد نصف الناقلة من النوع p فهناك: ZnSb وGeTe، وخلائط Ag Sb Te2 - GeTe وGeO مع n9BiO وTe وكذلك MnSi2 في حين تستخدم أنصاف النواقل التالية من النوع n: Pb-Te وInAs وIn Asx P1-x التي يعهد معامل الجدارة العائد لها.

تجميع المزدوجات الكهرحرارية

للحصول على مردود أعظمي للمزدوجة الكهرحرارية يُستحسن استخدام أكثر من مزدوجة كهرحرارية، إذ يمكن حتى تتمتع مزدوجة كهرحرارية بمعامل جدارة أعلى من غيرها ضمن مجال محدَّد من درجات الحرارة، في حين تتصف أخرى بخصائص كهرحرارية أفضل في درجات حرارة أعلى أوأخفض، عملى سبيل المثال يمكن الحصول على مولد كهرحراري مؤلَّف من شرائح كالمبيَّن في الشكل (2) يصل بين منبع حار درجة حرارته (530 ْس) ومنبع بارد درجة حـرارتـه (30 ْس) ويشتمل على عمودين يتألف جميع منهما من ثلاث مواد مختلفة. كما يمكن تجميع أبيال كهرحرارية كهذه على التسلسل لزيادة الجهد الكهربائي الناتج، أوعلى التفرع لزيادة التيار المتولِّد.

تطبيقات الأبيال الكهرحرارية

لما كان مردود البيل الكهرحراري لا يتجاوز 5%؛ فإن الاهتمام بهذا النوع من الأبيال يرتبط بإمكان الحصول على منبع حراري رخيص، كأنقد يكون هذا المنبع الإشعاع الحراري الشمسي، ولذا فإن استخدام هذا النوع من الأبيال مرغوب فيه عندما يحتاج الأمر منبعاً لا ضجيج فيه، ولايحتوي على أجزاء متحركة، وذا عمر مديد. من بين المولدات التي أُنجزت عملياً مولـد يعمل عند الدرجـة (540 ْس) منبعه الحار وقود سائل أوغازي، لاتتجاوز كتلته كيلوغرام واحد واستطاعته 4.5 واط. إلا أنه يؤمل في انجاز مولد استطاعته 500 واط لاتتجاوز كتلته 15 كيلوغراماً.

يمكن تحويل الطاقة الحرارية الشمسية باستخدام مولِّد من مواد نصف ناقلة من نوع p، وأخرى من نوع n مركبتين على بترة ناقلة للتيار وللحرارة بشكل الحرف U، كما هوواضح في الشكل (3). إذا مردود هذا المولِّد هومن رتبة واحد بالمئة. وللحصول على استطاعة كهربائية مقدارها (1000واط) تلزم مساحة مقدارها مئة متر مربع.

وقد استُخدمت الحرارة الناجمة عن تفكك النظائر المشعة مثل n238Pu، 210Po، 90Sr، 114Ce لتقديم الطاقة الحرارية اللازمة لعمل الأبيال الكهرحرارية، فتقوم عندها أبيال كهذه بتغذية أنظمة اتصالات في السواتل satellites أوفي مناطق نائية ونحوذلك.

ويستخدم نموذج من الأبيال الكهرحرارية كالمبين في الشكل (4) يوضع ضمن قضيب الوقود في مفاعل نووي، فتقوم الحرارة الناتجة من انشطار الوقود بتسخين الملحم بين المادة الكهرحرارية والغلاف المعدني للوقود، بينما يشكل الجدار المعدني الخارجي لقضيب الوقود المعرَّض للمادة المبرِّدة في المفاعل مع المادة الكهرحرارية الملحمَ الباردَ للمولد.

ويمكن حدوث مفعول معاكس لمفعول زيبِك الكهرحراري، فمرور تيار كهربائي في دارة مؤلَّفة من سلكين من مادتين مختلفتين ملحماهما في درجة حرارة واحدة، يؤدي إلى امتصاص للحرارة عند أحد الملحمين، وإصدار لها عند الملحم الآخر. تُعهد هذه الظاهرة باسم مفعول بلتييه effet Peltier نسبة إلى العالم الفرنسي الذي اكتشفها عام 1834. يُشار إلى أنه يجري استخدام أنظمة تبريد من هذا القبيل مصنوعة من مواد نصف ناقلة لأغراض التبريد في تطبيقات خاصة. وإذا استخدمت دارة تحتوي على ملحم وحيد؛ فإن هذا الملحم يسخن إذا مُرّر التيار في اتجاه ويبرد إذا مُرّر باتجاه معاكس.

انظر أيضا

• Peltier Effect
• Thermoelectric Effect
• Radioisotope Thermoelectric Generator
• Horizon Sensor

وصلات خارجية

• The Museum of Retro Technology: Thermo-Electric Generators
• TPA81 Thermopile detector Array Technical Specification

مراجع للإستزادة

• R.GUILLIEN, “Les Semi - conducteurs” (Que Sais-je? P.U.F. 1963 3e éd.1972).
• R.R.HEIKES et R.W.URE , Ther­mo­elec­tricity: Science & Engineering (New York 1961).

المصادر

نطقب:Electronics-stub