تست عنوان
close
فدراسیون سرآمدان علمی ایران | اخبار | انرژی ترموالکتریکی بزرگ در حضور میدان مغناطیسی
متن خبر

تاریخ خبر : ۱۳۹۷/۰۳/۲۰

تعداد بازدید : ۴۸

تعداد رای : ۲

انرژی ترموالکتریکی بزرگ در حضور میدان مغناطیسی

مواد جدیدی که در حضورِ میدان‌های مغناطیسی قوی گرم می‌شوند می‌توانند رکورد جدیدی در تولید انرژی توسط مواد ترموالکتریک ثبت کنند.

تصور کنید که بتوانید با گرمای تولیدی موتور ماشین بخشی از انرژی مورد نیاز ماشین را تامین کنید. یا بخشی از الکتریسته‌ی مورد نیاز خانه توسط گرمای حاصل از وسائل گرمایشی تامین شود! این سناریوهای بهینه‌سازی در مصرف انرژی می‌تواند با بهبود خواص ترموالکتریک (که با گرم کردن یک طرف این مواد می‌توان الکتریسیته تولید کرد) ممکن شود.

در طول حداقل 60 سال گذشته دانشمندان ویژگی‌های ترموالکتریکیِ تعداد زیادی از مواد مختلف را برای تولید الکتریسیته مورد بررسی قرار داده‌‌اند. اما تاکنون به علت کاراییِ پایینِ بیشتر این مواد، این فناوری نتوانسته‌اند کاربردهای عملی داشته باشند.

فیزیکدانانِ دانشگاه MIT راهی برای افزایشِ بازدهیِ مواد ترموالکتریک یافته‌اند. ماده‌ای که آنها با این روش مدل کرده‌اند 5 بار کاراتر از بهترین ماده‌ی ترموالکتریک امروزی است و می‌تواند تا 2 برابر انرژی تولید کند.

 نقش حفره‌ها در تئوری:

توانایی ماده در تولید انرژی از گرما بر پایه‌‌ی رفتار الکترون‌ها در حضور تغییرات دمایی است. زمانی که یک سمتِ ماده‌‌ی ترموالکتریک گرم می‌شود می‌تواند انرژی لازم به الکترون‌ها بدهد تا از طرف داغ بجهند و در طرف سرد جمع شوند. در نتیجه‌ی تجمع الکترون‌ها ولتاژ بوجود می‌آید. به این علت که الکترون‌ها نسبتا به سختی با حرارت برانگیخته می‌شوند موادِ ترموالکتریکی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند انرژی کمی تولید می‌کنند. در بیشتر مواد الکترون‌ها در باندهای ویژه‌ای یا گستره‌ی خاصی وجود دارند. باندها با یک گپ (گستره‌ی کوچکی از انرژی که الکترون نمی‌تواند در آن وجود داشته باشد) از یکدیگر جدا می‌شوند. انرژی‌رسانیِ کافی به الکترون برای عبور از باند گپ و حرکت در طول ماده بسیار چالش برانگیز بوده است.

"اسکینر" و "فو" نویسندگان این مقاله تصمیم گرفتند که پتانسیل‌های ترموالکتریک خانواده‌ای از مواد به عنوان نیم‌فلزهای توپولوژیکال را بررسی کنند. برخلاف نیمرساناها و عایق‌ها، نیم‌فلزهای توپولوژیکال دارای باندگپ صفر هستند بنابراین الکترون‌ها زمانی که گرم می‌شوند براحتی به باندهای بالاترِ انرژی رانده می‌شوند.

پژوهشگران تصور می‌کردند که این موادِ نسبتا جدید که در آزمایشگاه سنتز می‌شوند انرژی ترموالکتریکی بالایی تولید نمی‌کنند. زمانی که مواد از یک طرف گرم می‌شود الکترون‌ها انرژی کسب می‌کنند و در طرف دیگر تجمع می‌کنند. اما زمانی که الکترون‌های با بار منفی به باندهای بالاتر می‌روند حفره‌های با بار مثبت در طرف سرد برجا می‌مانند که این حفره‌ها اثر الکترون‌ها را کنسل می‌کنند.

اما پژوهشگران حاضر نبودند که بطور کامل این مواد را کنار بگذارند. در یک پژوهش کاملا نامرتبط "اسکینر" متوجه یک اثر جالب در نیمرساناهایی که در معرض میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرند شد. در چنین شرایطی میدان مغناطیسی می‌تواند بر روی حرکت الکترون تاثیر بگذارد و مسیرش را خمیده کند. سپس این پژوهشگران به فکر افتادند تا تاثیر میدان مغناطیسی را بر روی نیم‌فلزهای توپولوژیکال مطالعه کنند.

مطالعات پیشین نشان می‌داد که در میدان مغناطیسی بالای 35 تسلا، تولید انرژیِ ترموالکتریکی نوعی از نیم‌فلزهای توپولوژیکالی افزایش یافته است. پژوهشگران در این پژوهش متوجه شدند که در یک میدان مغناطیسی قوی اتفاق جالبی می‌آفتد و الکترون و حفره در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند. الکترون به مناطق سرد می‌رود و حفره‌ها به مناطق گرم روانه می‌شوند. آنها با یکدیگر همکاری می‌کنند و در تئوری با قویتر کردن میدان‌های مغناطیسی میتوان ولتاژ بزرگتری بدست آورد. چندین ماده‌ی نیم‌فلز توپولوژیکال در این پژوهش بررسی شده و انرژی ترموالکتریکی حاصله گزارش شده است.

نتایج این تحقیق در مجله APPLIED SCIENCES AND ENGINEERING به چاپ رسیده است. برای مشاهده این مقاله لینک مقاله را کلیک نمایید.

نظرات

پاسخ به نظــر بازگشت به حالت عادی ثبت نظر

نـــام
ایمیل
نظر شما
کارکترهایی که در تصویر می بینید را وارد نمایید. (حساس به حروف کوچک و بزرگ)