אפקט סיבק

זרם נוצר בין שני צמתים בטמפרטורות שונות, המחברים שתי מתכות שונות

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

ניתן להשתמש באפקט על ידי יצירת מעגל חשמלי משני צמתים המורכבים ממתכות שונות בעלות טמפרטורה שונה. במעגל ייווצר פוטנציאל חשמלי לאורך גרדיאנט הטמפרטורה.

את הטמפרטורות ניתן למדוד בעזרת צמד תרמי אשר מודד את הפרש הפוטנציאל בין שני הצמתים, הפרופורציונלי 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. בעקבותיו חוקרים רבים אחרים חקרו את הקשר בין זרמים חשמליים ושדות מגנטיים, בהם 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 כפונקציה 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

• אבי סאייג, כיצד עובד מדחום דיגיטלי?, באתר מכון דוידסון
• צמד תרמי אפקט סיבק נקודות היתוך ותרמיסטור (אורכב 26.06.2020 בארכיון Wayback Machine), אוניברסיטת בן-גוריון
• אפקט סיבק, באתר TechTarget
• Sensors for Power Electronics, באתר sciencedirect
• אפקט סיבק, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)