Efect Seebeck

Efectul Seebeck este un efect termoelectric prin care, într-un circuit format din conductori metalici sau semiconductori , o diferență de temperatură generează electricitate . Este opusul efectului Peltier .

Descriere

Efectul a fost descoperit în 1787 de Alessandro Volta ^[1] ^[2] și a fost redescoperit în 1821 de Thomas Johann Seebeck , un fizician eston care l-a studiat observând prezența unei diferențe de potențial la capetele unei bare metalice supuse unui gradient. de temperatura $\nabla T$ ${\ displaystyle \ nabla T}$ $\ nabla T$ . El a observat, de asemenea, că acul unei busole a suferit o deviere în vecinătatea unui inel format din două metale diferite, cu cele două zone de joncțiune plasate la temperaturi diferite. Acest lucru se datorează faptului că cele două metale generează potențiale electrice diferite în cele două regiuni la temperaturi diferite, dând naștere unui curent de curent, care produce câmpul magnetic care afectează busola.

Valoarea diferenței de potențial generate de efectul Seebeck este de ordinul câtorva μV per kelvin de diferență.

În următorul circuit (configurația circuitului poate varia, dar formularea matematică rămâne aceeași):

tensiunea rezultată este dată de:

V=\int _{T_{1}}^{T_{2}}\left(S_{B}(T)-S_{A}(T)\right)\,dT

{\ displaystyle V = \ int _ {T_ {1}} ^ {T_ {2}} \ left (S_ {B} (T) -S_ {A} (T) \ right) \, dT}

{\ displaystyle V = \ int _ {T_ {1}} ^ {T_ {2}} \ left (S_ {B} (T) -S_ {A} (T) \ right) \, dT}

unde: S _A și S _B sunt coeficienții Seebeck (sau puterea termoelectrică ) față de cele două metale A și B, T ₁ și T ₂ sunt temperaturile celor două joncțiuni.

Coeficienții Seebeck sunt neliniari și depind de materiale, de temperatura lor absolută și de structura lor moleculară. Dacă coeficienții pot fi considerați constanți în intervalul de temperatură considerat, formula anterioară poate fi aproximată după cum urmează:

V=(S_{B}-S_{A})\cdot (T_{2}-T_{1})

{\ displaystyle V = (S_ {B} -S_ {A}) \ cdot (T_ {2} -T_ {1})}

{\ displaystyle V = (S_ {B} -S_ {A}) \ cdot (T_ {2} -T_ {1})}

Rezultă că efectul Seebeck poate fi exploatat pentru a măsura diferențele de temperatură ca diferențe de potențial generate într-un circuit format din fire din diferite materiale: dispozitivul rezultat se numește termocuplu . Pentru a obține măsurarea unei temperaturi absolute, una dintre cele două joncțiuni este setată la o temperatură cunoscută. Mai mult, diferite termocupluri pot fi conectate în serie pentru a forma așa-numitul termopil .

Efectul este exploatat în generatoarele termoelectrice pentru a produce electricitate prin exploatarea unei diferențe de temperatură, de exemplu în generatorul termoelectric radioizotopic . Efectul Seebeck se datorează a două efecte: transportul sarcinii prin difuzie și rezistența la mișcare fononică. Efectul Seebeck continuă să existe atât în cazul a două elemente metalice de natură diferită, cât și cu un singur tip de metal.

Transportul încărcăturii prin difuzie

Purtătorii de încărcare din materiale (electroni din metale, electroni și găuri din semiconductori, ioni din conductorii ionici) se vor difuza atunci când un terminal al conductorului se află la o temperatură diferită de cealaltă. Purtătorii de temperatură mai ridicată se vor difuza către purtătorii de temperatură mai mică, atâta timp cât există o densitate diferită a purtătorului de temperatură ridicată, în partea de temperatură mai joasă și mai înaltă a conductorului. Suporturile de încărcare din zona de temperatură scăzută difuză de la cea mai rece la cea mai caldă zonă din același motiv.

Dacă se atinge echilibrul , procesul se va asigura că căldura este distribuită uniform prin conductor (a se vedea transferul de căldură ). Mișcarea căldurii prin temperaturi mai ridicate (adică energie mai mare) purtători de încărcare de la un capăt la altul al conductorului este cunoscută sub numele de curent de căldură . Atâta timp cât purtătorii de încărcare se mișcă, va exista și un curent electric.

Într-un sistem în care terminalele au o diferență constantă de temperatură (un curent constant curge de la unul la altul), există o difuzie constantă a purtătorilor. Dacă rata de difuzie a purtătorilor de temperatură înaltă și joasă ar fi aceeași, nu ar exista nicio diferență de încărcare netă. Cu toate acestea, purtătorii sunt „împrăștiați” (în engleză împrăștiați ) de impurități prezente în rețea, imperfecțiuni și vibrații de rețea (cunoscute sub numele de fononi ). Dacă împrăștierea depinde de energia purtătorului, purtătorii de temperatură înaltă și joasă se vor difuza la viteze diferite (au energii diferite, având temperaturi diferite). Acest lucru creează o densitate mai mare a purtătorului la un capăt al conductorului și distanța dintre sarcinile opuse va produce o diferență de potențial și un câmp electric.

Cu toate acestea, acest câmp electric este opus împrăștierii (dependent de energia purtătorului, deci inegal) și se ajunge la echilibru atunci când efectul numărului de purtători care se împrăștie într-o direcție este anulat de numărul de purtători (de același semn) care deplasați-vă în direcția opusă datorită câmpului electric generat. Aceasta înseamnă că puterea termică a unui material depinde de mulți factori, precum numărul de impurități, prezența imperfecțiunilor și modificările structurale (care adesea variază în funcție de temperatură și câmpul electric).

Transport fononic

Fononii nu sunt întotdeauna în echilibru termic local; se deplasează urmând gradientul termic. Ei pierd energie prin interacțiunea cu electronii (sau cu alți purtători) și cu imperfecțiunile de rețea. Dacă interacțiunea fonon-electron este predominantă, fononii tind să împingă electronii către o parte a materialului, pierzând energie în proces. Acest lucru contribuie la câmpul electric deja prezent. Această contribuție este cea mai importantă în regiunea de temperatură, unde împrăștierea fonon-electron este predominantă. Acest lucru este valabil pentru

T\approx {1 \over 5}\theta _{D}

{\ displaystyle T \ approx {1 \ peste 5} \ theta _ {D}}

{\ displaystyle T \ approx {1 \ peste 5} \ theta _ {D}}

unde θ _D este temperatura Debye . La temperaturi mai mici, puțini fononi sunt disponibili pentru transport, dar la temperaturi ridicate, aceștia tind să piardă energie în umflăturile de fonon-fonon, mai degrabă decât umflăturile de fonon-electron.

Această regiune a termocuplului în funcție de temperatură este foarte variabilă sub un câmp magnetic.

Aplicații

După cum sa menționat deja, efectul este utilizat de generatoarele termoelectrice. Acești generatori au o eficiență destul de scăzută, transformând aproximativ 7% din puterea termică în energie electrică. Pentru comparație, un motor cu turbină este capabil să transforme aproximativ 50% din energia termică în energie electrică.

Unele studii efectuate în 2007 la Universitatea din California raportează efectul Seebeck prin utilizarea moleculelor organice în locul clasicelor aliaje metalice. Cercetatorii au prins molecule organice de benzeneditiol, dibenzeneditiol tribenzeneditiol intre doi electrozi acoperiti cu aur si odata ce electrodul a fost incalzit, au masurat fluxul unui curent slab. Acest studiu își propune să obțină convertoare mai ieftine și mai performante în viitor. ^[3]

De asemenea, au fost realizate produse care sunt capabile să utilizeze diferența de temperatură dintre exteriorul și interiorul unei oale care conține apă care fierbe peste un foc, conectat la un anumit dispozitiv, pentru a genera suficientă energie electrică care să poată reîncărca un telefon mobil ^[4] .

Notă

^ Academia Internațională de Termoelectricitate prezidată de Lukyan Anatychuk a recunoscut oficial această paternitate la 14 iulie 2005 la Como , cu ocazia conferinței „Termoelectricitate: de la Alessandro Volta la nanotehnologii”, oferind primarului orașului o placă care sărbătorește descoperirea din Como (acum zidită în Templul Voltei din Como). A se vedea „Alessandro Volta este descoperitorul termoelectricității”, pe Giornale di Como ^{[ conexiunea întreruptă ]} din 22 iulie 2005. Mai recent, subiectul a fost abordat din nou în timpul celei de-a VIII-a Conferințe europene privind termoelectricitatea (Como, 22-23 septembrie 2010 ). Vezi articolul „Termoelectricitate: a VIII-a conferință europeană”, la Il Cittadino on-line ^{[ legătură întreruptă ]} din 22 septembrie 2010 și, pentru o examinare detaliată a motivelor care susțin atribuirea descoperirii termoelectricității către Volta, eseul lui Lukyan Anatychuk, John Stockholm și Giorgio Pastorino, „Despre descoperire de termoelectricitate de A. Volta ", în Proceedings of the 8th European Conference on Thermoelectrics , Como, 2010, pp. 15-18 (disponibil și online )
^ Christophe Goupil (ed.), Continuum theory and modeling of thermoelectric elements , Wiley, 2016, ISBN 978-3-527-41337-9 .
^ De la căldură la electricitate
^ Generator de electricitate dintr-o oală cu apă care fierbe peste foc

Elemente conexe

linkuri externe

( EN ) Efect Seebeck , pe Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Portalul Termodinamicii : accesați intrările Wikipedia care se referă la Termodinamică

[1] Academia Internațională de Termoelectricitate prezidată de Lukyan Anatychuk a recunoscut oficial această paternitate la 14 iulie 2005 la Como , cu ocazia conferinței „Termoelectricitate: de la Alessandro Volta la nanotehnologii”, oferind primarului orașului o placă care sărbătorește descoperirea din Como (acum zidită în Templul Voltei din Como). A se vedea „Alessandro Volta este descoperitorul termoelectricității”, pe Giornale di Como ^{[ conexiunea întreruptă ]} din 22 iulie 2005. Mai recent, subiectul a fost abordat din nou în timpul celei de-a VIII-a Conferințe europene privind termoelectricitatea (Como, 22-23 septembrie 2010 ). Vezi articolul „Termoelectricitate: a VIII-a conferință europeană”, la Il Cittadino on-line ^{[ legătură întreruptă ]} din 22 septembrie 2010 și, pentru o examinare detaliată a motivelor care susțin atribuirea descoperirii termoelectricității către Volta, eseul lui Lukyan Anatychuk, John Stockholm și Giorgio Pastorino, „Despre descoperire de termoelectricitate de A. Volta ", în Proceedings of the 8th European Conference on Thermoelectrics , Como, 2010, pp. 15-18 (disponibil și online )

[ContinuumTheory-2] Christophe Goupil (ed.), Continuum theory and modeling of thermoelectric elements , Wiley, 2016, ISBN 978-3-527-41337-9 .

[3] De la căldură la electricitate

[4] Generator de electricitate dintr-o oală cu apă care fierbe peste foc

[1]

[2]

[3]

[4]