المعامل الكهربائي، والتأثير الكهربائي، والمبردات الكهربائية

ما هو التأثير الكهربي الحراري؟

التأثير الكهربي الحراري هو ظاهرة، حيث يحدث التغير في درجة حرارة مادة ما بسبب مجال كهربائي مطبق. يُظهر التأثير نشاطًا حراريًا عن طريق امتصاص الحرارة أو إطلاقها بسبب التغير في ظروف الاستقطاب تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. ويرتبط التأثير الكهربي الحراري بالتأثير الحراري الحراري المعروف، بما في ذلك التأثيرات الكهروحرارية أو التأثيرات الحرارية الحرارية، التي تشير إلى تغير درجة الحرارة بسبب التدرجات الحرارية أو المجالات المغناطيسية. ومع ذلك، يشير التأثير الكهروكالوريك إلى التلاعب المباشر في درجة الحرارة بواسطة المجالات الكهربائية؛ وبالتالي، قد يوفر هذا التأثير نهجًا بديلًا واعدًا لأنظمة التبريد والتبريد التقليدية.

بالنسبة للمواد ذات التأثير الكهروكالوري القوي ، يؤدي التغيير في المجال الكهربائي المطبق إما إلى رفع درجة حرارة المادة أو خفضها، اعتمادًا على اتجاه المجال الكهربائي المطبق. ويوصف مدى هذا التأثير بالمعامل الكهروكالوري الذي يمثل التغير في درجة الحرارة لكل وحدة تغير في المجال الكهربائي.

المعامل الكهربي الحراري

المعامل الكهربي الحراري هو الكمية التي تقيس حجم التأثير الكهربي الحراري في المادة، ويُعرَّف بأنه التغير في درجة الحرارة (Δ T) للمادة لكل وحدة مجال كهربائي مطبق (Δ E):

المعامل الكهربي الحراري = ΔT/ΔE

من الجيد أيضًا معرفة عدد الأشخاص الذين سيشاركون في بحثك أو تجربتك.

كلما زاد معامل الكهروكالوريك الكهربائي، زاد التغير في درجة الحرارة الناتج في المادة بواسطة مجال كهربائي مطبق. وبما أن مثل هذه المواد ستخدم بشكل أكثر فعالية في تطبيقات التبريد، عادة ما يتم التعبير عن المعامل بوحدات مثل كلفن لكل فولت.

وتكتسب المواد التي تُظهر معاملات كهروكالورية عالية أهمية كبيرة نظرًا لإمكانية استخدامها في أجهزة التبريد ذات الحالة الصلبة - وهي إحدى التقنيات التي قد تحل محل المبردات والضواغط التقليدية في أنظمة التبريد التقليدية. إن التأثير الكهروكالوريك الواعد بشكل خاص للتبريد الموفر للطاقة هو التأثير الكهروكالوريك الذي يمكن أن يحقق تبريدًا موفرًا للطاقة بدون غازات أو مبردات كيميائية ضارة بالصحة.

التأثير الكهروكالوريك والمواد

لوحظ التأثير الكهروكهربائي في مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر المواد الكهرو-كهربائية حديدية ومضادة للكهرباء التي تظهر استقطابًا كهربائيًا قويًا يمكن تعديله عن طريق تطبيق مجال كهربائي. يمكن لهذه المواد، عند تعريضها لمجال كهربائي، أن تغيّر بنيتها الداخلية أو اتجاهها ثنائي القطب، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة.

تتضمن بعض المواد المعروفة بإظهار التأثير الكهربي ما يلي:

- تيتانات زركونات الرصاص: مادة PZT هي مادة مدروسة ومحققة على نطاق واسع في مجال الكهرباء الهيدروليكية؛ وهي تُظهر استجابة كهربائية كهربائية كبيرة وتم اختبارها في تطبيقات التبريد المختبرية.

- البولي (فلوريد الفينيلدين (PVDF)) هو مادة بوليمرية تمتلك خصائص كهرضغطية وكهروكهربائية كما أنها معروضة للتطبيق في الأجهزة الكهروكهربائية المرنة.

- تيتانات الباريوم (BaTiO₃): تتمتع هذه المادة الكهروضوئية التقليدية باستجابة كبيرة للاستقطاب، ومن ثم فهي واعدة في التبريد الكهروكهربائي.

- تانتالات السترونتيوم البزموتية: بفضل معاملها الكهروكهربائي العالي جداً، تعتبر واحدة من أكثر المواد الواعدة لتطوير التبريد الفعال.

يتم البحث على نطاق واسع في هذه المواد لخصائصها الكهروكالورية؛ ومع ذلك، تخضع مركبات ومركبات جديدة للبحث المستمر في محاولة لتعزيز الأداء والاستقرار وكفاءة الطاقة.

المبردات الكهروكالورية: مستقبل التبريد بالحالة الصلبة

المبردات الكهروكالورية هي فئة من الأجهزة التي تستغل التأثير الكهروكالوري لتبريد بيئة أو جسم ما. في حين أن معظم أنظمة التبريد التقليدية تعمل على أساس مبدأ ينطوي على ضغط الغازات وتمددها باستخدام ضواغط ميكانيكية، فإن المبردات الكهروكالورية تولد التبريد عن طريق تطبيق وإزالة المجالات الكهربائية. وتفتح القدرة على تبريد المواد دون استخدام المبردات مجموعة واسعة من الإمكانيات في كل شيء بدءًا من الإلكترونيات والأجهزة الطبية إلى أنظمة الطاقة المستدامة.

مبدأ عمل المبردات الكهروكالورية

عادةً ما تكون اللبنة الأساسية للمبردات الكهروكالورية هي مادة ذات تأثير كهروكالوري قوي بشكل خاص. يتضمن مبدأ العمل العام للمبرد الكهربائي الحراري المراحل التالية:

1. تطبيق المجال الكهربائي: يؤدي تطبيق مجال كهربائي على المادة الكهروكالورية إلى تغيير استقطابها، وهو ما ينطوي على إطلاق الحرارة أو امتصاصها وبالتالي تغيير درجة حرارتها بناءً على اتجاه المجال المطبق.

2. التبادل الحراري: بعد ذلك، يتم وضع الجسم أو الحيز الذي يجب تبريده في تلامس حراري مع المادة الكهروكالورية. وبمجرد تطبيق المجال الكهربائي، يمتص المجال الكهربائي الحرارة من الجسم ويطلق الحرارة في البيئة المحيطة.

3. تُعاد المادة، من خلال عكس المجال الكهربائي، إلى درجة حرارتها الأصلية، وبالتالي تكتمل دورة التبريد المستمر.

تطبيقات المبردات الكهروكالورية

المبردات الكهروكالورية مرغوبة للغاية في العديد من مجالات التطبيق لأنها تتيح التبريد المدمج والفعال والبيئي. من بين التطبيقات المحتملة ما يلي:

- تبريد الإلكترونيات: هناك حاجة ناشئة لأجهزة إلكترونية أكثر قوة ولكن أصغر حجمًا. وفي هذا الصدد، ستكون هناك حاجة إلى حلول تبريد فعالة. توفر المبردات الكهروكالورية حلاً في الحالة الصلبة مع إمكانية الدمج مباشرة في دائرة إلكترونية بدون وحدات تبريد ضخمة أو حتى مراوح.

- الأجهزة الطبية: تنطوي الأجهزة الطبية في التطبيقات المبردة أو تخزين الأدوية أو المعدات الجراحية على التحكم الدقيق في درجة الحرارة، حيث يمكن أن توفر المبردات الكهروكالورية بديلاً مدمجًا وفعالاً للطرق التقليدية المستخدمة للتبريد.

- التبريد المحمول: يمكن استخدام أجهزة التبريد الكهروكالوريك في تطبيقات التبريد المحمولة مثل المبردات للتخييم أو السفر التي لا تعتمد على المبردات الكيميائية.

- أنظمة الطاقة المستدامة: تتمتع المبردات الكهروكالورية بالقدرة على توفير تبريد موفر للطاقة في أنظمة الطاقة الشمسية أو لأنظمة تخزين الطاقة للحفاظ على ظروف درجة الحرارة المثلى وبالتالي الأداء العالي لأجهزة تخزين الطاقة مثل البطاريات.

التأثير الكهروكالوري والاستدامة

إن التأثير الكهروكالوري، كونه طريقة تبريد صديقة للبيئة، قادر على تقديم مساهمات كبيرة في التبريد المستدام. تعتمد معظم منهجيات التبريد القياسية على مبردات كيميائية خطرة مثل مركبات الكربون الكلورية فلورية ومركبات الكربون الهيدروفلورية، والتي لها العديد من العيوب على النظام البيئي، بما في ذلك استنفاد الأوزون والاحتباس الحراري. وعلى النقيض من ذلك، يعمل المبرد الكهربائي الحراري بشكل مستقل عن هذه المبردات الكيميائية، وبالتالي يقدم بديلاً صديقًا للبيئة وموفرًا للطاقة.

ومن النتائج المهمة الأخرى لذلك أن المواد الكهروكالورية قد تكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من الأنظمة التقليدية. ونظرًا لعدم وجود أجزاء ميكانيكية، مثل الضواغط المشاركة في العملية، قد تعمل الأنظمة التي تستخدم التأثير الكهروكالوري باستهلاك منخفض جدًا للطاقة، وبالتالي تقليل آثار الكربون الناتجة عن التبريد الصناعي والتجاري.

الخلاصة

يمكن للتأثير الكهروكالوريك أن يُحدث ثورة في تقنيات التبريد من خلال توفير بديل أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وصديق للبيئة ومدمج للتبريد التقليدي. وهذا يمكن أن يجعل هذه التكنولوجيا مهمة في كل شيء من الإلكترونيات الاستهلاكية إلى الأجهزة الطبية وأنظمة الطاقة المستدامة مع استمرار الأبحاث في إيجاد مواد جديدة وتعزيز المبردات الكهروكالورية. لقد تم اتخاذ خطوات مهمة نحو مستقبل مستدام وموفر للطاقة، مع وجود العديد من الخطوات الأخرى القادمة التي يمكن تحقيقها من خلال الاستفادة من التأثير الكهروكالوري. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

1. ما هو التأثير الكهربي الحراري؟

يشير إلى تغير درجة حرارة المادة استجابةً لتطبيق مجال كهربائي. وبالتالي، يمكن استخدام هذه العملية في تطبيقات التبريد دون استخدام المبردات التقليدية أو الأجزاء الميكانيكية.

2. كيف يتم قياس المعامل الكهربي الحراري؟

يمكن قياس المعامل الكهروكالوريك باستخدام مجال كهربائي مطبق على المادة وتسجيل التغير الناتج في درجة الحرارة. ويتم التعبير عنه تقليديًا بوحدة كلفن لكل فولت، K/V، مما يعكس التغير في درجة الحرارة لتغير الوحدة في المجال الكهربائي.

3. ما هي بعض المواد التي يمكن أن يكون لها تأثير كهربائي؟

تركّز الجهود البحثية عادةً على مواد مثل تيتانات زركونات الرصاص (PZT) وتيتانات الباريوم (BaTiO₃) وبولي (فلوريد الفينيلدين) (PVDF) نظرًا لخصائصها الكهروكالورية الممتازة، والتي من بينها تغيّر كبير جدًا في درجة الحرارة تحت مجال كهربائي مطبق في سياق التبريد الكهروكالوري.

4. ما هي المزايا التي تتمتع بها المبردات الكهروكالورية مقارنة بالتبريد التقليدي؟

يمكن أن تكون هذه المبردات الكهروكالورية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، وتعمل دون استخدام المبردات الكيميائية التي قد تكون ضارة، ولا تحتوي على أجزاء متحركة؛ وبالتالي، فهي أكثر إحكامًا وموثوقية. كما يمكن أن توفر تكاملاً أفضل في الأجهزة الإلكترونية والأنظمة المدمجة الأخرى.

5. هل المبردات الكهربائية متوفرة تجارياً؟

على الرغم من أن المبردات الكهروكالورية لا تزال في مرحلة البحث والتطوير، إلا أنها قيد التطوير النشط لتطبيقات محددة، خاصةً الإلكترونيات والأجهزة الطبية. ستنمو التطبيقات مع زيادة التحسينات في المواد والتقنيات.