هل يمكن للحرارة أن تولد كهرباء سر المزدوج الحراري تأثير سيبك

تخيل انك تمسك باللك معدني احد طرفيه يحترق في لهب شمعه والطرف الاخر يتجمد فوق الثلج ماذا تتوقع ان يحدث لا شيء ولكن في عالم الفيزياء يحدث شيء مذهل تبدا الالكترونات بالهروب من الحراره باتجاه البروده مولده تيارا كهربائيا خفيا هذا التيار الصغير جدا هو نفسه الذي يبقي المركبات الفضائيه تعمل في اعماق الفضاء العقود فكيف يمكن لفرق بسيط بين الساخن والبارد ان يتحول الى كهرباء هذه قصه تبدا بظاهره فيزيائيه اكتشفها العلماء قبل اكثر من 200 عام وتعرف اليوم باسم تاثير سيبيك السلام عليكم ورحمه الله وبركاته مرحبا بكم لفهم كيف يمكن للحراره ان تتحول الى كهرباء علينا ان نعود بالزمن اكثر من 200 عام الى مختبر في مدينه برلين عام 1821 21 هناك كان الفيزيائي الالماني توماس يوهان سيبيك يجري تجارب حول العلاقه بين الكهرباء والحراره صنع السبيك دائره مغلقه من سلكين من معدنين مختلفين هما النحاس والبزم وعندما قام بتسخين احدى نقطتي التقاء السلكين وترك الاخرى بارده ربما تتوقع عزيزي المشاهد ان يحدث شيء لكن ما حدث كان مفاجئا لاحظ السبيك ان ابره مغناطيسيه كانت قريبه من الدائره انحرفت فجاه لتصبح متعامده تماما مع السلك. في تلك اللحظه ظن سبيك انه اكتشف نوعا جديدا من المغناطيسيه الحراريه، لكن الحقيقه كانت اعمق بكثير مما تصور. لقد ولد هذا الفارق الحراري تيارا كهربائيا وهذا التيار هو الذي صنع المجال المغناطيسي الذي حرك الابره. لقد وضع السبك دون ان يدري حجر الاساسي لما نعرفه اليوم بالمزدوجه الحراريه ثيرموكابل. انها ليست مجرد اسلاك متصله بل نقطه التقاء بين الديناميكا الحراريه والكهرومغناطيسيه لكي نفهم ما يحدث فعلا علينا ان نغوص في عالم الذرات السر يكمن فيما يسمى تدرج درجه الحراره فعندما نسخن طرف المعدن تكتسب الالكترونات طاقه حركيه اكبر فتتحرك وتنتشر من الطرف الساخن نحو الطرف البارد حيث تكون الحركه اهدا ونتيجه لذلك تتراكم الشحنات السالبه عند الطرف البارد بينما يصبح الطرف الساخن اكثر ايجابيه فينشا فرق جهد كهربائي بين طرفين لكن لماذا نستخدم معدنين مختلفين؟ السبب ان لكل معدن ما يسمى بمعامل سيبيك وهو مقدار يحدد مدى استجابه الكتروناته لفرق الحراره ويقاس عاده بالمايكروف فولت لكل درجه حراره فكر في معامل السبيك كانه حساسيه المعدن هناك معادن كريمه تعطي الكترونات كثيره عند التسخين واخرى بخيله لو استخدمنا سلكين من المعدن نفسه لالغى كلا منهما تاثير الاخر اما عند استخدام معدنين مختلفين فان اختلاف استجابتهما الحراريه يسمح بظهور جهد كهربائيا يمكن قياسه لكن هنا يظهر سؤال مهم اذا كانت الفكره بهذه البساطه فلماذا لا نرى محطات طاقه ضخمه تعتمد عليها المشكله ان المعادن توصل الحراره والكهرباء معا بكفاءه عاليه مما يجعل الحراره تنتقل سريعا من الطرف الساخن الى البارد فيقل فرق الحراره وتنخفض الكفاءه التي لا تتجاوز عاده نحو 1% تخيل انك تدفع 800 وحده حراريه ولا تسترجع الا وحده كهرباء واحده فقط ولهذا السبب ظل الامر مجرد فضول معملي حتى دخلت اشباه الموصلات على الخط فرفعت الكفاءه وجعلت التطبيق العملي ممكنا في عالم الفيزياء الحديثه وجدنا ان اشباه الموصلات الابطال الحقيقيون لتاثير سبك السر يكمن في قدرتنا على التلاعب بحاملات الشحنه داخل الماده في اشباه الموصلات من النوع ان تكون الالكترونات ذات الشحنه السالبه هي اللاعب الاساسي بمجرد تسخين احدى الاطراف تهرب هذه الالكترونات نحو الطرف البارد مما يجعل الطرف البارد مشحولا بالسالب والساخن بالموجب اما في اشباه الموصلات من النوع تحدث العقاريه الفيزيائيه حيث نعتمد على الفجوات او الهولز تخيل الفجوه كانها مقعد فارغ في حافله مزدحمه عندما يتحرك شخص ليجلس في المقعد الفارغ يبدو لنا وكان الفراغ هو الذي انتقل في الاتجاه المعاكس ورغم ان الفجوه ليست جسيما حقيقيا الا ان سلوكها في الماده يجعلها تتصرف وكانها شحنه موجبه تتحرك داخل البلوره في النوع بي تتركز هذه الفجوات في الطرف الساخن وتندفع نحو الطرف البارد حركه الفجوه الموجبه نحو الطرف البارد تعادل تماما في تاثيرها الكهربائي حركه الكترون سالب من البارد نحو الساخن فكيف نستفيد من هذا التضاد؟ هنا تكمل العقاريه الهندسيه حيث نربط قطعه من النوع ان مع قطعه من النوع بي فيما يشبه الحرف يو والان تخيل معي ما يحدث عند تسخين الجانب العلوي في الساق الاولى ان تندفع الالكترونات السالبه نحو الاسفل الطرف البارد وفي الساق الثانيه طرف تندفع الفجوات الموجبه نحو الاسفل ايضا وهنا يتولد التيار كهربائي بما ان شحنات ان سالبه وشحنات بي موجبه فان اندفاعهما مع النحو الاسفل يولد تيارا كهربائيا موحدا يدور في اتجاه واحد مستمر تماما كما تتدفق المياه في حلقه مغلقه الفارق الحراري هنا يعمل كمضخه خفيه لا تتوقف عن دفع الشحنات محوله وله السكون الحراري الى نبض كهربائي لا ينقطع هذا الجمع الذكي يحول الزوج ان وبي الى بطاريه حراريه تتفوق بمراحل على المعادن التقليديه ويعرف هذا المجال في الفيزياء الحديثه باسم الكهرويه ثيرمو الكتريسيتي الان وقد عرفنا كيف نبني هذه الخليه الحراريه الصغيره تخيل اننا نضع المئات منها جنبا الى جنب مثل بطاريات صغيره جدا على ماذا سنحصل وما هي الاجهزه التي يمكننا تشغيلها هذا ما سنراه في تطبيقات مدهشه لكن هنا يجب ان ننتبه الى نقطه في غايه اهميه قد يخلط الكثيرون فيها ما شرحناه للتو باستخدام اشباه الموصلات هو اساس المولدات الحراريه ثيرمو الكتريك جنريتور وهي وحدات متكامله مصممه خصيصا لانتاج طاقه كهربائيه قد تكفي لتشغيل حساس او حتى شحن بطاريه اما المزدوج الحراري ثيرموكابل فهو شيء مختلف تماما هو مجرد سلكين معدنيين مختلفين يستخدم بشكل اساسي لقياس درجه الحراره وليس لتوليد الطاقه الجهد الكهربائي الناتج عن المزدوج الحراري ضعيف جدا يقاس بالمايكرو فولت اي اجزاء من المليون جزء من الفولت هذا الجهد لا يستطيع اضاءه لمبه صغيره لكنه كاف تماما لاخبار جهاز القياس بدرجه حراره الفرن الخلط بينهما يحدث كثيرا فكلاهما يعمل بنفس المبدا الفيزيائي تاثير سبك لكن الاول المولد هندسه متقدمه مصمه للطاقه والثاني المزدوج الحراري اداه قياس بسيطه ودقيقه ربما تتساءل عزيزي المشاهد هل كل ما نصنعه بهذه التقنيه هو مولدات كهرباء ام ان لها استخداما اخر في الحقيقه الاستخدام الاكثر شيوعا لتاثير سيبيك في مصانع اليوم ليس توليد الكهرباء بل هو قياس الحراره بدقه متناهيه هنا ياتي دور المزدوج الحراري يعد المزدوج الحراري احد ادق ادوات قياس الحراره في الصناعه فبما ان الجهد الكهربائي المتولد يعتمد على فرق الحراره بين نقطتين نضع نقطه القياس في المكان الساخن ونبقي النقطه الاخرى عند درجه حراره معروفه الجهد الناتج يتحول مباشره في الجهاز الالكتروني الى قيمه لدرجه الحراره ولهذا يستطيع المزدوج الحراري قياس درجات حراره عاليه جدا داخل الافران الصناعيه او محركات الطائرات في اماكن لا تستطيع اجهزه القياس التقليديه العمل فيها والان دعونا نترك المصانع خلفنا ونذهب في رحله الى الفضاء هناك حيث لا شمس ولا وقود كيف تعمل المركبات الفضائيه السر يكمن في المولدات الحراريه للنظائر المشعه حيث تستخدم ماده مثل البلوتونيوم 238 التي تنتج حراره كبيره بفعل التحلل الاشعاعي ويح يحول فرق الحراره بينها وبين بروده الفضاء الى كهرباء وبسبب هذه التقنيه ما يزال المسبار فيوجر 1 يرسل بيانته الينا من مسافه تقارب 23 مليار كومتر عن الارض في مكان لا تصل اليه اشعه الشمس صحيح ان كفاءتها منخفضه جدا لكنها تعوض ذلك بالموثوقيه المطلقه لا اجزاء متحركه تتاكل ولا توقف مفاجئ فقط عمل متواصل لعقود في اقصى بيئات الكون وفي النهايه نكتشف ان الحراره التي نعتبرها غالبا طاقه مهدره يمكن ان تتحول الى مصدر للكهرباء من اجهزه قياس الحراره في المصانع الى المركبات الفضائيه التي تعمل لعقود في اعماق الفضاء وكل ذلك بسبب فرق بسيط بين الساخن والبارد والان اعزائي المشاهدين سؤال لكم اين يمكن ان نجد في حياتنا اليوميه مصدرا كبيرا من الحراره المهد يمكن استغلاله لتوليد الكهرباء اكتبوا اقتراحاتكم في التعليق قات اشكركم على المشاهده وان اعجبتكم الحلقه فلا تنسوا وضع علامه الاعجاب والاشتراك في القناه وحتى موعدنا مع الحلقه القادمه استودعكم الله والسلام عليكم ورحمه الله وبركاته ‏tu