الكهربية الحرارية - الاكتشاف والأساس الفيزيائي والتطبيقات

تاريخ الاكتشافات

تقول الأسطورة أن أول تسجيلات للكهرباء الحرارية قام بها الفيلسوف وعالم النبات اليوناني القديم ثيوفراستوس في عام 314 قبل الميلاد. وفقًا لهذه السجلات ، لاحظ ثيوفراستوس ذات مرة أن بلورات التورمالين المعدني ، عند تسخينها ، بدأت في جذب قطع من الرماد والقش. بعد ذلك بوقت طويل ، في عام 1707 ، أعاد النحات الألماني يوهان شميت اكتشاف ظاهرة الكهرباء الحرارية.

هناك إصدار آخر ، يُنسب اكتشاف الطاقة الكهروحرارية إلى الفيلسوف اليوناني القديم الشهير والرحالة تاليس من ميليتس ، الذي قام ، وفقًا لهذا الإصدار ، بالاكتشاف في بداية القرن السادس قبل الميلاد. ن. إي. أثناء سفره إلى البلدان الشرقية ، قام تاليس بتدوين ملاحظات حول المعادن وعلم الفلك.

من خلال التحقيق في قدرة الكهرمان المُفرك على جذب القش إلى أسفل ، كان قادرًا على تفسير ظاهرة الكهرباء عن طريق الاحتكاك علميًا. سيصف أفلاطون فيما بعد هذه القصة في حوار تيماوس.بعد أفلاطون ، في القرن العاشر ، وصف الفيلسوف الفارسي البيروني في عمله "علم المعادن" الخصائص المتشابهة لبلورات العقيق.

تم إثبات وتطوير العلاقة بين الطاقة الكهروحرارية للبلورات والظواهر الكهربائية المماثلة الأخرى في عام 1757 ، عندما بدأ فرانز إيبينوس ويوهان ويلك في دراسة استقطاب بعض المواد أثناء احتكاكها ببعضها البعض.

بعد 127 عامًا ، سيُعرض الفيزيائي الألماني August Kundt تجربة حية يقوم فيها بتسخين بلورة التورمالين وسكبها عبر غربال بمزيج من الرصاص الأحمر ومساحيق الكبريت. سيكون الكبريت مشحونًا بشكل إيجابي ويكون الرصاص الأحمر سالبًا ، مما يؤدي إلى تلوين الرصاص الأحمر والبرتقالي على جانب واحد من بلورة التورمالين والجانب الآخر مغطى باللون الأصفر الرمادي اللامع. ثم قام August Kund بتبريد التورمالين ، وتغيرت "قطبية" الكريستال وتبدلت الألوان في أماكنها. كان الجمهور مسرورًا.

جوهر هذه الظاهرة هو أنه عندما تتغير درجة حرارة بلورة التورمالين بمقدار درجة واحدة فقط ، يظهر في البلورة مجال كهربائي يبلغ حوالي 400 فولت لكل سنتيمتر. لاحظ أن التورمالين ، مثل كل المواد الكهروحرارية ، كلاهما كهرضغطية (بالمناسبة ، ليست كل الأجهزة الكهروإجهادية كهربيًا حراريًا).

أسس فيزيائية

فيزيائيًا ، تُعرَّف ظاهرة الكهرباء الحرارية على أنها ظهور مجال كهربائي في البلورات نتيجة لتغير في درجة حرارتها. يمكن أن يحدث التغيير في درجة الحرارة بسبب التسخين المباشر أو الاحتكاك أو الإشعاع. تشمل هذه البلورات عوازل كهربائية ذات استقطاب تلقائي (تلقائي) في غياب التأثيرات الخارجية.

لا يُلاحظ الاستقطاب التلقائي عادةً لأن المجال الكهربائي الذي يُنشئه يقابله المجال الكهربائي للشحنات الحرة التي يتم تطبيقها على البلورة بواسطة الهواء المحيط والجزء الأكبر من البلورة. عندما تتغير درجة حرارة البلورة ، يتغير حجم استقطابها التلقائي أيضًا ، مما يؤدي إلى ظهور مجال كهربائي ، والذي يتم ملاحظته قبل حدوث التعويض بالشحن المجاني.

يمكن بدء التغيير في الاستقطاب التلقائي للكهرباء الحرارية ليس فقط عن طريق تغيير درجة حرارتها ، ولكن أيضًا عن طريق التشوه الميكانيكي. هذا هو السبب في أن جميع الأجهزة الكهروإجهادية هي أيضًا كهربي إجهادية ، ولكن ليس كل الكهروإجهادية كهربي حراري.الاستقطاب التلقائي ، أي عدم تطابق مراكز الجاذبية للشحنات السالبة والموجبة داخل البلورة ، يُفسَّر من خلال التناظر الطبيعي المنخفض للبلورة.

تطبيقات الكهرباء الحرارية

اليوم ، يتم استخدام الكهروحرارية كأجهزة استشعار لأغراض مختلفة ، كجزء من مستقبلات الإشعاع وأجهزة الكشف ، ومقاييس الحرارة ، وما إلى ذلك. تستغل كل هذه الأجهزة خاصية رئيسية للكهرباء الحرارية - أي نوع من الإشعاع يؤثر على العينة يسبب تغيرًا في درجة حرارة العينة وتغيرًا مناظرًا في استقطابها. إذا كان سطح العينة في هذه الحالة مغطى بأقطاب كهربائية موصلة وكانت هذه الأقطاب متصلة بواسطة أسلاك بدائرة القياس ، فإن تيارًا كهربائيًا سيتدفق عبر هذه الدائرة.

وإذا كان هناك تدفق من أي نوع من الإشعاع عند إدخال محول كهربي حراري ، مما يتسبب في تقلبات في درجة حرارة الطاقة الكهروحرارية (يتم الحصول على دورية ، على سبيل المثال ، عن طريق التعديل الاصطناعي لشدة الإشعاع) ، فإن التيار الكهربائي يكون تم الحصول عليها عند الإخراج ، والتي تتغير أيضًا بتردد معين.

تشمل مزايا أجهزة الكشف عن الإشعاع الكهروحراري: نطاق واسع بلا حدود من ترددات الإشعاع المكتشف ، والحساسية العالية ، والسرعة العالية ، والاستقرار الحراري. يعد استخدام المستقبلات الكهروحرارية في منطقة الأشعة تحت الحمراء واعدًا بشكل خاص.

إنهم في الواقع يحلون مشكلة الكشف عن تدفقات الطاقة الحرارية المنخفضة الطاقة ، وقياس قوة وشكل نبضات الليزر القصيرة ، وقياس درجة حرارة التلامس وعدم التلامس عالي الحساسية (بدقة درجة ميكروية).

اليوم ، تتم مناقشة إمكانية استخدام كهربي حراري لتحويل الطاقة الحرارية مباشرة إلى طاقة كهربائية بجدية: يولد التدفق المتناوب للطاقة المشعة تيارًا متناوبًا في الدائرة الخارجية لعنصر كهربي حراري. وعلى الرغم من أن كفاءة مثل هذا الجهاز أقل من طرق تحويل الطاقة الحالية ، إلا أن طريقة التحويل هذه مقبولة تمامًا لبعض التطبيقات الخاصة.

تعد الإمكانية المستخدمة بالفعل لاستخدام التأثير الكهروحراري لتصور التوزيع المكاني للإشعاع في أنظمة التصوير بالأشعة تحت الحمراء (الرؤية الليلية ، وما إلى ذلك) واعدة بشكل خاص. تم إنشاء vidicons الكهروحرارية - أنابيب تلفزيونية تنقل الحرارة بهدف كهربي حراري.

تُسقط صورة الجسم الدافئ على هدف ، مبنية عليها الراحة المقابلة للشحنة ، والتي تتم قراءتها بواسطة شعاع الإلكترون الماسح. يتحكم الجهد الكهربائي الناتج عن تيار شعاع الإلكترون في سطوع الحزمة التي ترسم صورة الكائن على الشاشة.