אפקט פלטייה

אֶפֶקְט פֶּלְטְיֶה 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 שארל 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 האפקט הקרוי על שמו, אשר מתרחש כאשר קיימים הפרשי טמפרטורות במעגל שבו שתי מתכות שונות, וכתוצאה מכך נוצר הפרש פוטנציאלים ובגללו זורם זרם במעגל. בשנת 1834, כשחקר פלטייה 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 ויליאם תומסון, 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 פיזיקלי

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 או לספיגה 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 או שחום 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 $\Pi$ ו-$S$ הם מקדמי סיבק ופלטייה בהתאמה, ו-$T$ היא 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 וברפואה

אפקט פלטייה פחות יעיל מאמצעי קירור יומיומיים מכיוון שיש לו נצילות נמוכה אם כי יש לו גם יתרונות בתעשייה. האפקט מאפשר לבנות מכשיר חימום או 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 משום שהם מוליכים חום פחות טוב ובכך מקצינים את האפקט ואת הפרש הטמפרטורות.

שימושים:

• מקררים – מקררים אלקטרונים מדויקים, מצנני אוויר במחשבים (CPU coolers)
• חלליות – משתמשות באפקט כדי לאזן בין הצד בחללית שחשוף לשמש, שחם משמעותית מהצד השני
• תא פלטייה – תא פלטייה הוא רכיב אלקטרוני קטן המבוסס על האפקט
• קירור DNA, איסולין ורקמות לצרכים רפואיים

ראו גם

• אפקט סיבק
• מכניקה סטטיסטית
• האפקט התרמו-אלקטרי, בוויקיפדיה האנגלית

לקריאה נוספת

• Encyclopedia of Materials: Science and Technology, 2002
• Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 2016

קישורים חיצוניים

• אפקט פלטייה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• אפקט פלטייה, באתר ScienceDirect, מתוך Encyclopedia of Condensed Matter Physics, 2005 (באנגלית)