熱量的傳導(dǎo)方式是否與電路控制電流的方式類似？

熱量的傳導(dǎo)方式是否與電路控制電流的方式類似？根據(jù)一項新的研究，如果一種新的準粒子能夠被有效地利用來制造一個可行的熱開關(guān)，那么可能是的。

如今，幾乎每一項技術(shù)都可以成為將電力用于生產(chǎn)目的的案例研究。使用合適的材料，熱量可以產(chǎn)生不同的電流。然而，這項研究的資深作者、俄亥俄州立大學(xué)的物理學(xué)家和工程師Joseph Heremans表示，“與電流不同，熱量到處流動，而且很難控制。”

然而，即使是一個不完美的熱開關(guān)也可能對技術(shù)產(chǎn)生重大影響。例如，人類使用的70%以上的能源來自熱量，例如內(nèi)燃機。熱開關(guān)可以提高各類熱機的效率，例如太陽能熱電廠，它們利用太陽的熱量發(fā)電。

Heremans說：“發(fā)電回路的熱力學(xué)效率主要取決于熱儲熱器和冷儲熱器之間的溫差。通過熱開關(guān)和儲熱系統(tǒng)，可以將存儲介質(zhì)的溫度保持在遠高于熱源的平均溫度并接近其最高溫度，這可以將系統(tǒng)的熱效率提高一倍?！?/p>

例如，現(xiàn)代的熱開關(guān)本質(zhì)上幾乎都是機械的，通過泵送氣體來工作。隨著時間的推移，它們的運動部件很容易因疲勞而失效。Heremans說，目前的固態(tài)熱開關(guān)要么只在非常冷的溫度下工作，要么基于在有限溫度范圍內(nèi)工作的相變。

現(xiàn)在，對普通陶瓷的研究可能有一天會產(chǎn)生固態(tài)電控?zé)衢_關(guān)，它可以在室溫下以實用的方式工作。

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新的熱開關(guān)是如何工作的？

研究人員分析了鈦酸鉛鋯（PZT）材料。這種陶瓷是壓電的，這意味著它可以將機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，反之亦然。

PZT是一種稱為鐵電體的壓電物質(zhì)。材料中的電荷分為正極和負極，在鐵電體中，這些電偶極子通常是極化的，或者是沿相同方向排列的。電場可以改變這些偶極子的取向。

先前的研究表明，鐵電體中的極化可以像準粒子漣漪一樣移動，準粒子漣漪在原子晶格中移動，就像理論上稱為鐵子的粒子在空間中快速移動一樣。類似的準粒子稱為磁振子，可以影響磁性材料中的磁極。磁振子可以攜帶熱量，這使得研究人員懷疑鐵氧體是否也能控制熱量。

現(xiàn)在，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了鐵子存在的第一個實驗證據(jù)，并且這種準粒子確實可以攜帶熱量。此外，他們的研究表明，鐵電體對電場敏感，這表明鐵電體可以作為熱開關(guān)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這是一種叫做壓電應(yīng)變的效應(yīng)，原子振動，即鐵電體中的熱可以對電場做出反應(yīng)。當(dāng)電壓施加到鐵電體上時，原子晶格可能收縮或拉伸，從而改變材料的機械性質(zhì)及其導(dǎo)熱性。

“我們發(fā)現(xiàn)聲子（晶格中的振動波）可以由電場控制，”該研究的主要作者、俄亥俄州立大學(xué)的材料科學(xué)家Brandi Wooten說，“訣竅是找到合適的材料來承載所需的物質(zhì)以實現(xiàn)這一點。跳出框框思考，尤其是使用舊的“傳統(tǒng)”材料，可以產(chǎn)生新的有趣的結(jié)果?！?/p>

These four varying configurations of static and vibrating lattices [A–D] manifest in different dipole moments [graphs on right]. The presence of phonons, of course, affects the dipole moments of those lattices as well.

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，向PZT施加電場可以使其起到熱開關(guān)的作用，如他們所預(yù)測的那樣，其最大導(dǎo)熱率和最小導(dǎo)熱率相差2%。在室溫下，電場對熱導(dǎo)率的影響是之前所見的四到五倍。結(jié)果證明非常一致。Wooten說：“該機制非常堅固可靠，非常適合在設(shè)備中使用?！?/p>

研究人員開發(fā)了一個理論模型來預(yù)測鐵電體中的鐵磁物質(zhì)。他們現(xiàn)在正在尋找是否能找到熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)非常大的材料。

“現(xiàn)在我們有了預(yù)測理論，優(yōu)化工作就可以開始了，”Heremans說，“當(dāng)然，我們希望世界各地的更多團體來共同參與這項工作?！?/p>

Heremans表示，壓電材料可能適合這種新型熱開關(guān)技術(shù)的實際應(yīng)用?！斑@不是白日夢，”他說。

Wooten說，常見的鐵電體包括“廣泛使用的、相對便宜的氧化物，這些氧化物不使用稀有材料，并且在市場上很容易獲得”。他們預(yù)計，基于鐵電體的熱開關(guān)“由于材料成本以及易于在設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施中實施，將為熱開關(guān)提供廉價的選擇”。

審核編輯：劉清