بخشی از مقاله
چکیده
دستگاه توصیف شده در این مقاله به منظور اندازه گیري ضریب سیبک نمونه هاي پودري نانو ذره به کار می رود که در آن یک گرادیان دمایی در عرض نمونه توسط یک هیتر و یک سردکننده هلیومی ایجاد گردیده و سپس اختلاف ولتاژ سیبک در دماههاي مختلف اندازه گیري و ضریب سیبک از شیب نمودار اختلاف ولتاژ بر حسب اختلاف دما بدست آمده است . در انتها نتایج اندازه گیري در مورد ماده بیسموت تلوراید آورده شده است .
در طول سالیان متوالی به منظور ایجاد اختلاف دما بین دو انتهاي نمونه از دو شیوه مختلف استفاده شده است . در روش اول که معمولاً براي نمونه هاي با طول زیاد استفاده می شود ، یک انتهاي نمونه در دماي ثابت نگه داشته شده و دماي انتهاي دیگر را به دلخواه تغییر می دهند و با ایجاد اختلاف دماي زیاد ، اختلاف ولتاژ ایجاد شده را اندازه گیري می کنند . در روش دوم که مناسب نمونه هاي نیمرسانا است ، بین دو انتهاي نمونه اختلاف دماي کوچکی ایجاد می شود 4] و. [5 دستگاه مورد نظر ما جهت اندازه گیري ضریب سیبک نمونه هاي توده اي متشکل از نانو ذرات بشکل قرص هاي نازك در رنج دمایی 70 تا 320 کلوین به شیوه دوم است. از آنجا که ایجاد گرادیان دمایی کوچک از مشخصات روش اخیر است ، نمونه هاي تهیه شده بیسموت تلوراید با داشتن رسانش گرمایی و حجم خیلی کم این شرط را بر آورده خواهد کرد و گرادیان گرمایی بصورت یکنواخت در سطح مقطع نمونه گسترده خواهد شد .
شرح دستگاه
کلیت دستگاه مانند شکل 1 قطعه اي استوانه اي تراش داده شده از جنس مس است . از مس بعلت رسانش گرمایی زیاد و تولید گرادیان دمایی کوچک در آن استفاده می شود . درپوش قطعه به گونه اي تراش داده می شود که در قسمت داخلی آن محلی براي قرار گرفتن یک میله مسی کوچک به طول 20 میلی متر و سطح مقطعی با قطر 10 میلی متر ایجاد گردیده است . از این میله بمنظور سوار کردن هیتر و سیم هاي ولتاژ و ترموکوپل و مهمتر از همه انتقال گرما به سر بالایی نمونه استفاده می شود .
در طراحی دستگاه به دو نکته مهم توجه شده است . ابتداء طراحی سیستم کنترل گرادیان دمایی و سپس اندازه گیري اختلاف ولتاژ ترموالکتریکی . از این رو قطعه مسی مذکور را روي دستگاه سرد کننده هلیمی نصب کرده که با همراهی هیتر کنترل کننده دما ، دماي نمونه به میزان قابل توجهی قابل کنترل خواهد بود . مجموعه متصل به پمپ خلأ بوده که با ایجاد خلا در حدود 10−5 میلی بار از انتقال گرما بصورت همرفت جلوگیري خواهد شد . [6]
شکل:1دستگاه اندازه گیري ضریب سیبک
-1 ترموکوپل نزدیک به سطح بالایی نمونه
-2 ترموکوپل نزدیک به سطح پایینی نمونه
-3 سیم هاي هیتر
-4 سیم هاي مسی رابط براي اندازه گیري ولتاژ ترموالکتریکی
-5 الکترودها
-6قطعه مسی
-7هیتر
با تنظیم دستگاه سرد کننده ، کل سیستم و نمونه در دماي خاصی قرار می گیرد و به منظور ایجاد اختلاف دما و افزایش دماي سطح بالایی نمونه که زیر میله مسی قرار دارد ،چند دور سیم داراي مقاومت را بعنوان هیتر در اطراف میله مسی پیچانده و با گذراندن تدریجی جریان از سیم ها ، دماي سطح بالایی نمونه بعنوان انتهاي گرم افزایش می یابد. جهت پیچش سیم ها در اطراف میله مسی را به گونه اي رعایت می کنیم که از تشکیل ولتاژ القایی ناشی از عبور جریان ، جلوگیري شود . به این ترتیب بین دو سطح نمونه اختلاف دما ایجاد می شود که با گذراندن مقادیر خاص جریان ، مقدار این اختلاف دما قابل کنترل خواهد بود . به منظور اندازه گیري اختلاف دماي ایجاد شده از دو ترموکوپل مس - کنستانتان بهره می بریم .قطر سیم هاي مورد استفاده 0,2 میلی متر است .
یکی از اتصالات ترموکوپل ها در ظرف محتوي آب و یخ با دماي صفر درجه قرار گرفته و اتصال دیگر یکی از آنها در حفره اي عمیق در کف استوانه نزدیک سطح داخلی آن براي اندازه گیري
دماي انتهاي سرد جاي می گیرد واتصال دوم دیگر ترموکوپل در میله مسی نزدیک سر گرم نمونه قرار می گیرد. به این ترتیب قادر به تعیین اختلاف دما خواهیم بود این اختلاف کمتر از 6 درجه است . حفره هاي ایجاد شده را با چسب سیلیکانی پر می کنیم تا علاوه بر افزایش ارتباط گرمایی ترموکوپل ها با قطعه مسی ،از اتصال و ایجاد مدار بسته بین ترموکوپل و دستگاه جلوگیري کنیم به منظور قرائت اختلاف ولتاژ ترموالکتریکی ایجاد شده در دو انتهاي نمونه از دو سیم مسی استفاده کرده،این انتخاب به دلیل کم بودن ضریب سیبک سیم هاي مسی در مقابل ضریب بزرگ نمونه نیمرسانا است . [7]
به سر هر سیم که بمنظور اندازه گیري ولتاژ تعبیه شده است ، در غالب یک استوانه شیشه اي کوچک بواسطه یک فنر ظریف ، الکترودي لحیم کرده و در بالا و پایین نمونه در کف قطعه و نوك میله مسی قرار می دهیم که در تماس با سطح نمونه قرار بگیرد. استفاده از فنر زیر الکترودها براي ایجاد خاصیت ارتجاعی در آنها و اطمینان از اتصال الکترود با سطح نمونه و استفاده از استوانه شیشه اي جهت عدم اتصال الکترود با بدنه خواهد بود . به این ترتیب با اتصال این دو سیم به یک ولتمتر دقیق از نوع 196 kitely در غالب یک مدار باز اختلاف ولتاژ ترموالکتریکی اندازه گیري خواهد شد . به منظور عایق بندي الکتریکی نمونه با کف قطعه مسی ، در زیر آن و روي کف قطعه پوششی عایقی از چسب سیلیکانی ایجاد می کنیم به گونه اي که علاوه بر تأمین انتقال گرما ، نمونه فقط با الکترودها در تماس الکتریکی باشد .
کارایی ، ساخت ماده در غالب ساختار نانو آن است که علت این به خوبی در مقالات 10] و[11 آورده شده است . به منظور تهیه نمونه نانوذره از روش sonochemica به دلیل داشتن مزیتهایی از جمله انجام سریع واکنش در دماي پایین ، استفاده می شود . [12] از پودر حاصل از واکنش با استفاده از دستگاه پرس با فشار 10 تن و به مدت 5 دقیقه ، یک قرص با ضخامت 1 و قطر 10 میلی متر تهیه می شود .
مراحل و نتایج اندازه گیري
به منظور بررسی عملکرد دستگاه ، یکی از مواد خوب ترموالکتریک یعنی بیسموت تلوراید را بعنوان نمونه انتخاب می کنیم . این ماده از آنجا که رسانش الکتریکی زیادي دارد و از طرف دیگر مانند شیشه رسانش گرمایی کمی از خود نشان می دهد [8] داراي قابلیت بالاي ترموالکتریکی حدود واحد در دماي اتاق است .[9] هر چند این مقدار قابل ملاحظه است اما با کارایی زیاد سردکننده هاي صنعتی باZT حدود 3 و 4 قابل رقابت نیست ، این موضوع پژوهشگران را وادار به یافتن راهکارهایی کرده است که سبب افزایش قابلیت ترموالکتریکی مواد و استفاده عملی از آنها در صنعت شوند . یکی از مهمترین این یافته ها مبنی بر افزایش شکل:2 نتایج اندازه گیري در دماي 319,3 کلوین با تغییر دماي کنترلی تغییرات ضریب سیبک با دما رسم خواهد شد .
