האם ישנו חומר שמתקרר כאשר עובר בו זרם חשמלי? שרון

P=I²R

כך קובעת אחת ממשוואות ההספק החשמליות הבסיסיות. כלומר – ההספק החשמלי (P, לרוב נמדד ביחידות של ג'אולים לשנייה= וואט, מבטא כמה אנרגיה של חום נפלטת לסביבה כאשר זורם זרם במעגל חשמלי פשוט), שווה לזרם הזורם במעגל בחזקת 2 (I²) כפול ההתנגדות החשמלית של המעגל (R). מכיוון שכל מספר בחזקת 2 הוא גודל חיובי, ומכיוון שאין חומר בעל 'התנגדות חשמלית שלילית' ברור כי P תמיד יהיה גודל חיובי, כלומר כל חומר שיזרום דרכו זרם חשמלי תמיד יתחמם, ותמיד יפלוט חומר לסביבה.

ככה לפחות חוזה התיאוריה...

ואף על פי כן, עוד בשנת 1834 (8 שנים בלבד אחרי שאוהם גילה את החוק המפורסם שלו, ממנו ניתן לפתח את המשוואה שלמעלה) גילה הפיזיקאי פלטייה (Peltier) שישנם חומרים שכאשר עובר בהם זרם חשמלי הם מתקררים! לא מדובר בחומר אחד, אלא בזוג חומרים. פלטייה גילה כי אם בונים מעגל חשמלי הבנוי משתי מתכות (למשל מנחושת ומברזל) נקודות המגע בין שתי המתכות יכולות להתקרר או להתחמם, תלוי בכיוון הזרם החשמלי. מה שמעניין הוא שמידת הקירור תלוייה בזרם החשמלי – ככל שהזרם חזק יותר כך נקודת המגע בין המתכות (ידועה גם בשם 'צומת') מתקררת יותר, כמו כן הקירור תלוי בסוג המתכות שמחברים. פלטייה גילה בזמנו שקיים אפקט קירור חזק במעגל חשמלי הבנוי מהמתכות נחושת (Cu) וביסמוט (Bi). במעגל החשמלי הבא, הבנוי מחוטי נחושת (צבע כתום) וביסמוט (צבע אפור) :

צומת אחת תתקרר, והצומת השנייה תתחמם. מעניין לציין שכמות האנרגיה שנבלעת בצומת המקררת שווה לכמות האנרגיה הנפלטת בצומת המחממת (סה"כ אין בליעה או קליטה של אנרגיה), ככה שבסה"כ חוק ההספק החשמלי לא נשבר בתוך המעגל בכללותו, אם כי, החוק כן נשבר באיזורי הצומת.

ההסבר לתופעה חורג מתורת החשמל הקלאסית, ומערב את מכניקת הקוונטים. אפשר להסבירו בפשטות באופן הבא:
האלקטרונים אשר נמצאים ב'ים האלקטרונים' בכל מתכת, נמצאים ברמה אנרגטית שונה (כי כל מתכת היא שונה), יוצא שכאשר אלקטרונים עוברים בצומת ממתכת אחת לשנייה, לפעמים הם צריכים לעלות באנרגיה: כאשר הם זורמים ממתכת בעלת רמת אנרגיה נמוכה למתכת בה האלקטרונים נמצאים ברמת אנרגיה גבוהה (ואז הם בולעים אנרגיה מהסביבה, כלומר מקררים את הסביבה) ולפעמים הם צריכים לרדת באנרגיה, ואז הם פולטים את האנרגיה העודפת שלהם לסביבה, כפי שניתן לראות בתרשים הבא:

ביימינו, משתמשים באפקט פלטייה כאשר מעוניינים לקרר מקומית בלבד רכיבים מסויימים (למשל כאשר רוצים לקרר מעבד של מחשב) ורכיבי פלטייה (לעיתים נכתב 'פלטייר') מסחריים נמכרים בחנויות למוצרי מחשבים. אפקט פלטייה משמש גם ליצור מקררים קטנים (למשל מקרר של רכב).

תמונה באדיבות ויקיפדיה

מעניין לציין שהיום כבר לא נהוג להשתמש בשתי מתכות, אלא בזוג של מוליכים למחצה מסוג p ו-n המחוברים יחדיו. זוהי למעשה דיודה, למי שמכיר, – רק שהזרם מוזרם בה בכוח נגד הכיוון הרגיל בו הדיודה מוליכה חשמל (דיודה היא רכיב חשמלי שאמור, תיאורטית, להוליך חשמל רק בכיוון אחד, אך במציאות, הודות לאפקט פלטייה אפשר להזרים חשמל בכיוון ההפוך במתח חשמלי מתאים ובתנאי שתסופק אנרגייה של חום מהסביבה = שהסביבה תתקרר). התקני פלטייה מודרניים בנויים ממאות דיודות המחוברות יחדיו ושזורם בהם זרם חשמלי בכיוון ההפוך לכיוון ה'מותר' של הדיודה.
(לתמונות והסבר באנגלית על מבנה פנימי של מתקני פלטייה מודרניים לחצו כאן)

כהערת אגב חשובה, נציין כי ההתרחשות המיוחדת בצומת של שתי מתכות (או שני חומרים באופן כללי) כאשר עובר דרכה זרם חשמלי, מצאה במהלך השנים שימושים רבים וחשובים ביותר, שכולם, מבחינה מסויימת פן אחר של אפקט פלטייה. דוגמאות (כל דוגמא אולי ראוייה לתשובה נפרדת, אז רק אסבירה במשפט):
*אפקט סיבק (seebeck): שהוא אפקט פלטייה ההפוך, ומשמש ליצור חשמל על ידי הפרש טמפ' בין שני צמתים. (למעשה התגלה לפני אפקט פלטייה).
*מנורת לד (LED – Light Emitting Diode) או 'דיודה פולטת אור': המנצלת את ההפרש האנרגטי של האלקטרונים בין זוג חומרים במעבר בצומת ליצור אור (כמו בצומת פלטייה שיוצרת חום, רק שבמנורת לד ההפרש האנרגטי הוא כזה המאפשר ליצור אור נראה).
*תאים סולארים: הארה על צומת משמשת ליצור חשמל על ידי כך שהאור דוחף אלקטרונים מצד אחד לצד שני של הצומת.
*צמד חומני / צמד תרמי (Thermocouple): צומת של שתי מתכות משמשת למדידה מדוייקת של טמפ', כי כל טמפ' יוצרת מתח חשמלי שונה בצומת. כך עובדים רבים מהמדחומים האלקטרונים.
*צומת של שלושה חומרים כבר יצרה את הטרנזיסטור: שאין גבול לשימושיו באלקטרוניקה: החל מהגברה של אותות (למשל במכשיר הרדיו או הטלפון הנייד מגביר את האותות החלשים ביותר שהאנטנה קולטת) וכלה ביצור המעבדים של המחשב: מעגל חשמלי הבנוי מטרנזיסטורים יכול לבצע בקלות פעולות חיבור וחיסור, מעבד חשמלי מודרני מכיל מיליארדי טרנזיסטורים.

מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע   

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.