الطاقة المغناطيسية الكهرومغناطيسية: تفاعل المجالات المغناطيسية والتأثيرات الكهروحرارية

مقدمة

الطاقة الكهروحرارية المغناطيسية هي ظاهرة تنطوي على تفاعل المجال المغناطيسي الخارجي مع الخصائص الكهروحرارية في مادة ما. وفي السنوات الأخيرة، اكتسب هذا المجال من التفاعل اهتمامًا كبيرًا نظرًا لتطبيقاته المحتملة في تحويل الطاقة وتصميم المواد المتقدمة والجيل القادم من الأجهزة الكهروحرارية. من خلال الفهم الأعمق لتفاعل المجالات المغناطيسية مع المواد الكهروحرارية الكهربائية، يتم فتح مسارات جديدة لتعزيز كفاءة نظام حصاد الطاقة والتبريد.

ما هي الطاقة الكهروحرارية؟

تشير الطاقة الكهروحرارية، أو ما يسمى بتأثير سيبيك، إلى توليد جهد كهربائي أو قوة دافعة كهربائية بسبب اختلاف درجة الحرارة عبر مادة ما. وينشأ هذا الجهد نتيجة لتدفق حاملات الشحنات - الإلكترونات أو الثقوب - من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، مدفوعة بالتدرج الحراري. يقيس معامل سيبيك حجم الجهد الكهربي الحراري المتطور لكل وحدة فرق في درجة الحرارة في المادة.

ويحظى البحث عن المواد ذات الكفاءة الكهروحرارية العالية باهتمام كبير في تطبيقات الطاقة، بما في ذلك استعادة الحرارة المهدرة وأنظمة التبريد. والمواد الكهروحرارية الكهربائية الحرارية الشائعة هي مواد شبه موصلة، مثل Bi₂Te₃ وPbTe، التي أظهرت خصائص كهروحرارية ممتازة في ظل ظروف محددة.

دور المجالات المغناطيسية في الكهرباء الحرارية

يمكن للمجالات المغناطيسية أن تؤثر بشكل كبير على سلوك حاملات الشحنة داخل المادة، وبالتالي تغيير خصائصها الكهربائية والحرارية. ويشار عادةً إلى هذا التفاعل بين المجال المغناطيسي والتأثير الكهروحراري بالتأثير الكهروحراري المغناطيسي. في الحالات التي يتم فيها تطبيق تدرج في درجة الحرارة ومجال مغناطيسي على مادة ما، تواجه حاملات الشحنة قوى إضافية بسبب قوة لورنتز التي تعمل في اتجاه عمودي على كل من اتجاه حركتها والمجال المغناطيسي نفسه. وقد يؤدي ذلك إلى تغيير توزيع حاملات الشحنة داخل المادة وبالتالي التأثير على الجهد الكهربي الحراري المتولد.

وبالفعل يمكن أن يكون تأثير المجال المغناطيسي على الطاقة الكهروحرارية إيجابيًا وسلبيًا على حد سواء، اعتمادًا على ظروف مختلفة مثل نوع المادة ودرجة الحرارة وقوة المجال المغناطيسي. ومن خلال التفاعل مع المجالات المغناطيسية، يمكن لهذه الفئة الجديدة من المواد أن تُظهر خصائص كهروحرارية محسّنة أو قابلة للضبط، مما قد يُظهر أداءً أفضل في التطبيقات التي تتضمن تحويل الطاقة الكهروحرارية أو التبريد.

آلية الطاقة الكهروحرارية المغناطيسية

يمكن تفسير المبدأ الأساسي للطاقة الكهروحرارية المغناطيسية من خلال تأثير نيرنست-إتنغشهاوزن، حيث يتم تحفيز جهد عرضي بسبب تدرج درجة الحرارة تحت مجال مغناطيسي. وتحت تأثير كل من التدرج الحراري والمجال المغناطيسي، تتحرك حاملات الشحنة في مسار منحنٍ بسبب قوة لورنتز. وبسبب حركة الانحناء هذه، سيحدث تراكم للشحنة على طول حواف العينة، مما يؤدي إلى جهد عرضي.

رياضيًّا، يمكن كتابة جهد نيرنست، V، على النحو التالي:

الشرح:

V = -α* ⊇T*B

حيث:

- V هو الجهد المستحث,

- α هو معامل نيرنست، وهو معامل خاص بالمادة,

- ѕT هو تدرج درجة الحرارة,

- B هي شدة المجال المغناطيسي.

في المعادلة المعطاة، يتولد الجهد عموديًا على كل من المجال المغناطيسي واتجاه تدرج درجة الحرارة. وهذا يؤدي إلى تعديل الطاقة الكهروحرارية في وجود مجال مغناطيسي.

المواد ذات التأثيرات الكهروحرارية المغناطيسية

لا تتمتع كل المواد بتأثيرات مغناطيسية كهروحرارية كبيرة. ومع ذلك، من المرجح أن تُظهر بعض فئات المواد تأثيرات مغناطيسية كهروحرارية واضحة. وتشمل هذه الفئات ما يلي:

1. العوازل الطوبولوجية: وهي المواد ذات الخصائص السائبة العازلة، في حين أن حالاتها السطحية موصلة. ونظرًا للاقتران القوي بين الدوران والمدار في العوازل الطوبولوجية، يمكن تعزيز التأثيرات الكهروحرارية الحرارية والكهرومغناطيسية المغناطيسية بشكل كبير.

2. أشباه الموصلات: يمكن لبعض المواد شبه الموصلة مثل Bi₂Te₃ وPbTe أن تُظهر طاقة كهروحرارية مغناطيسية خاصة عندما تكون مخدرة بعناصر محددة أو مصممة ببنى نانوية تعزز حركة الإلكترونات والكفاءة الكهروحرارية.

3. أشباه الموصلات المغناطيسية: تقدم المواد ذات الخصائص المغناطيسية وشبه الموصلة على حد سواء، مثل المغناطيسات الحديدية نصف المعدنية، تفاعلات خاصة بين المغناطيسية والخصائص الكهروحرارية. وتكتسب هذه المواد أهمية خاصة للتطبيقات في الأجهزة الإلكترونية المغناطيسية، حيث يتم التلاعب بكل من دوران الإلكترون والشحنة.

4. الجرافين ومواد أخرى ثنائية الأبعاد: يبشر الجرافين وغيره من المواد ثنائية الأبعاد الأخرى بالخير بسبب الموصلية الكهربائية العالية والقدرة على ضبط الخصائص الإلكترونية من خلال التطعيم والتعديلات الهيكلية، مما يؤدي إلى تأثيرات كهربائية حرارية ومغناطيسية كهرو-كهربائية فائقة.

تطبيقات الطاقة الكهروحرارية المغناطيسية

1. حصاد الطاقة: يُعدّ حصاد الطاقة من بين أكثر التطبيقات الواعدة للطاقة الكهروحرارية المغناطيسية ويحتل مكانة مهمة في استعادة الحرارة المهدرة. وباستخدام التأثيرات الكهروحرارية المغناطيسية يمكن للمرء تصميم مواد من شأنها تحويل الطاقة الحرارية والمغناطيسية إلى طاقة كهربائية بكفاءة أعلى من المواد الكهروحرارية التقليدية.

2. التبريد الكهروحراري: المبردات الكهروحرارية الحرارية، المستخدمة للتبريد والتحكم في درجة الحرارة، هي أيضًا من المستفيدين المحتملين من التأثير الكهروحراري المغناطيسي. يمكن أن تحقق المبردات الكهروحرارية الحرارية كفاءات تبريد أعلى من خلال تحسين خصائص موادها لكل من تدرجات الحرارة والمجالات المغناطيسية، مما يتيح أداءً أعلى في التطبيقات ذات متطلبات التبريد المدمجة.

3. سبينترونيكس والحوسبة الكمية: يمكن للمواد المغناطيسية الكهرومغناطيسية أن تساهم كثيرًا في تطوير أجهزة سبينترونيك حيث يتم استخدام الدوران الإلكتروني، بالإضافة إلى الشحنة، كحامل للمعلومات. وقد تساهم هذه المواد أيضًا في تطبيقات الحوسبة الكمية حيث يتم التلاعب بالحالات الكمية للمادة لإجراء العمليات الحسابية.

4. المستشعرات المغناطيسية: تُستخدم المواد المغناطيسية الكهرومغناطيسية في أجهزة الاستشعار المغناطيسية التي يمكنها الكشف عن وجود المجالات المغناطيسية وقوتها. ولهذه المستشعرات قيمة كبيرة في العديد من التطبيقات المختلفة، كما هو الحال في المراقبة الصناعية أو الاستشعار البيئي أو حتى التشخيص الطبي.

الخاتمة

تُعد الكهرباء المغناطيسية الكهرومغناطيسية واحدة من أكثر الحدود إثارة في علوم المواد وتكنولوجيا الطاقة. يجب أن تتيح التطورات الجديدة في المواد والأجهزة التي تستفيد من التفاعل التآزري بين المجالات المغناطيسية والتأثير الكهروحراري أداءً أعلى في حصاد الطاقة وتطبيقات التبريد والإلكترونيات المتقدمة. تنطوي الأبحاث الإضافية على إمكانات كبيرة لإدخال تحسينات كبيرة في كفاءة ووظائف الأجهزة الكهروحرارية الحرارية والكهرومغناطيسية الكهروحرارية من أجل حلول الطاقة المستدامة والابتكارات في التقنيات الكمية.