مقدمة في الكهرباء الحرارية

وصف الكهرباء الحرارية

الكهرباء الحرارية هي قدرة بعض المواد على توليد شحنة كهربائية استجابةً لتغيرات درجة الحرارة.

تشيرالكهربية الحراريةإلى خاصية بعض البلورات والسيراميك التي تكون مستقطبة كهربياً بشكل طبيعي، وبالتالي تحتوي على مجالات كهربائية كبيرة. يمكن أن يتغير هذا الاستقطاب عندما تتغير درجة حرارة المادة، مما يؤدي إلى توليد شحنة كهربائية.

الكهرباء الانضغاطية والكهرباء الحرارية

بينما تنطوي كل من الكهربية الانضغاطية والكهربية الحرارية على توليد شحنة كهربية، إلا أنهما ينشآن بواسطة محفزات مختلفة. تحدث الكهرباء الضغطية عندما يتم تطبيق إجهاد ميكانيكي على مادة ما، بينما تحدث الكهرباء الحرارية بسبب تقلبات درجة الحرارة. وتكتسب كلتا الظاهرتين أهمية بالغة في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك أجهزة الاستشعار وأجهزة حصاد الطاقة.

تطبيقات الكهرباء الحرارية

تُستخدم المواد الكهروحرارية الحرارية على نطاق واسع في أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء وكاشفات الحركة وأنظمة حصادالطاقة. كما أن قدرتها على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية تجعلها لا تقدر بثمن في كل من الإلكترونيات الاستهلاكية والتطبيقات الصناعية.

المواد العازلة في التطبيقات الكهروضوئية

تلعب المواد العازلة دوراً حيوياً في التطبيقات الكهروحرارية. تتمتع هذه المواد بمقاومة كهربائية عالية ويمكنها دعم المجال الكهروستاتيكي مع تبديد الحد الأدنى من الطاقة. تعتمد فعالية المواد العازلة في الأجهزة الكهروحرارية على قدرتها على الحفاظ على الاستقطاب تحت درجات حرارة متفاوتة.

الركيزة الكريستالية في الأجهزة الكهرو-كهربائية حرارية

تعمل الركيزة البلورية كأساس للأجهزة الكهروضوئية. وتؤثر جودة الركيزة البلورية واتجاهها بشكل كبير على أداء المادة الكهروحرارية. تضمن المحاذاة المناسبة أقصى قدر من الكفاءة في توليد الشحنة واستقرار المجال الكهربائي داخل الجهاز.

التأثيرات الكهرو-كهربائية حرارية مقابل التأثيرات الكهربائية الحرارية الأخرى

مقارنة المواد الكهربائية الحرارية

تشير الكهرباء الحرارية إلى قدرة بعض المواد على توليد شحنة كهربائية استجابةً للتغيرات في درجة الحرارة. فيما يلي بعض الأمثلة على المواد الكهروحرارية وتطبيقاتها:

1. كبريتات التريغليسين (TGS): تُستخدم في كاشفات الأشعة تحت الحمراء (IR)، خاصةً في الاستشعار الحراري والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء. يمكنه اكتشاف التغيرات في درجة الحرارة من البيئة المحيطة.
2. تانتالات الليثيوم (LiTaO₃): يشيع استخدامه في المستشعرات الكهروحرارية، مثل تلك الموجودة في الكاميرات الحرارية وكاشفات الحركة وأجهزة تحليل الغازات. لديها معاملات كهروحرارية عالية، مما يجعلها حساسة للتغيرات في درجات الحرارة.
3. أكسيد الزنك (ZnO): على الرغم من أنه معروف في المقام الأول بخصائصه الكهرضغطية الكهروضغطية إلا أن أكسيد الزنك يمكن أن يُظهر أيضًا سلوكًا كهروحراريًا. ويُستخدم في تطبيقات مثل الأجهزة الحساسة حرارياً.
4. فلوريد البوليفينيلدين البولي فينيلدين (PVDF): بوليمر يمكن أن يُظهر خصائص كهرضغطية وكهرضغطية. يُستخدم البولي فينيل فلوريد البولي فينيل فلوريد في أجهزة الاستشعار والمشغلات وأجهزة حصاد الطاقة.
5. تيتانات الباريوم (BaTiO₃): على الرغم من أنه معروف على نطاق واسع بخصائصه الكهروضوئية، إلا أنه يمكن أن يُظهر أيضًا كهرو كهربائية حرارية. وتُستخدم في تطبيقات مثل مستشعرات درجة الحرارة وأجهزة الكشف الحراري.

وغالباً ما تستخدم هذه المواد في أنظمة التصوير الحراري وكشف الحركة وتقنيات حصاد الطاقة. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

ما الفرق الرئيسي بين الكهرباء الانضغاطية والكهرباء الحرارية؟

تتولد الكهرباء الانضغاطية عن طريق الإجهاد الميكانيكي، بينما تنتج الكهرباء الحرارية عن طريق تغيرات درجة الحرارة.

ما أنواع المواد التي تُظهر الكهرباء الحرارية؟

من المعروف أن البلورات غير المتماثلة المركزية وبعض أنواع السيراميك تُظهر كهرو-كهربائية حرارية.

ما أهمية المواد العازلة في الأجهزة الكهرو-كهربائية؟

تدعم المواد العازلة المجالات الكهروستاتيكية وتحافظ على الاستقطاب، مما يعزز كفاءة الأجهزة الكهرو-كهربائية الحرارية.

ما هي التطبيقات الشائعة للمواد الكهرو-كهربائية حرارية؟

تُستخدم عادةً في أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء وكاشفات الحركة وأنظمة حصاد الطاقة.

ما هي التحديات التي تواجه تطوير التكنولوجيا الكهروحرارية؟

تشمل التحديات استقرار المواد، والحساسية البيئية، والتكامل مع الأنظمة الإلكترونية.