Efecte Termoelectrice

1. Introducere teoretica

Efectul termoelectric este conversia directa a diferentei de temperatura in tensiune electrica si vice versa. Acest efect poate fi folosit pentru a genera electricitate, pentru a masura temperatura si a pentru a raci obiectele. Din cauza directiilor de racire sau incalzire determinate de sensul tensiunii aplicate, efectul termoelectric controleaza foarte bine temparatura.Efectul termoelectric incorporeaza trei mecanisme indentificate separat: Efectul Seebeck, Efectul Peltier si Efectul Thomson.

Efectul Seebeck consta in aparitia unei tensiuni electromotoare intr-un circuit format din doua conductoare de natura diferita cu jonctiuni la capete, cand cele doua jonctiuni se afla la temperaturi diferite.Pe baza acestui efect se realizeaza termocuple pentru masurarea termperaturii.

Fenomenul invers este efectul Peltier, care se manifesta prin absortia sau degajarea unei cantitati de caldura (diferita de cea degajata prin efectul Joule al curentului electric) intr-o jonctiune formata din doi conductori sau doi semiconductori diferiti si zona de contact, de exemplu intre cupru si fier apare o t.e.m de contact.

Daca prin jonctiune trece un curent electric cu semnul de la cupru la fier, electronii din zona de contact capata energie cinetica suplimentara si temperaura jonctiunii creste; la trecerea unui curent in sens invers, temperatura jonctiunii scade.

Daca intr-un circuit electric cu doua jonctiuni ca cele de mai sus, circula un curent electric cu sens adecvat, se poate realiza un transport de caldura de la jonctiunea mai rece la jonctiunea mai calda. Efectul Peltier este folosit la realizarea minifrigiderelor.

Efectul Seebeck constă în apariţia unei tensiuni termoelectrice (Seebeck) în conductoare de natură diferită, ale căror suduri se găsesc la temperaturi diferite. Tensiunea Seebeck depinde de natura conductoarelor şi de gradientul de temperatură.

Fluxurile de căldură J qşi de sarcină electric Je ce pot apărea într-un system termodinamic sunt interdependente, fiecare fiind funcţie liniară de forţele termodinamice .

unde Lij (cu i, j =1,2 ) sunt coeficienţi fenomenologici şi, conform principiului de reciprocitate Onsager,L 12= L21 . De asemenea, s-a admis existenţa forţelor termodinamice:

Considerăm acum cazul unui sistem termodinamic alcătuit din două conductoare A şi B, ale căror suduri se găsesc la temperaturile T1 şi T2 , cu T1 < T2 . Dacă fluxul de sarcină electrică este nul

Je = 0,ecuatia de mai sus devine:

; ;

Unde α T este coeficientul termoelectric (Seebeck) absolut. Cum E = −∇V ecuatia devine:

şi integrând această ecuaţie de-a lungul circuitului obţinem tensiunea la borne (tensiunea Seebeck):

unde αTA si αTB sunt coeficienţii termoelectrici absoluţi ai celor două conductoare, presupuşi constanţi, iar αAB este coeficientul Seebeck ce depinde de natura conductoarelor. Această tensiune poate fi măsurată cu un milivoltmetru V conectat ca în schemaexperimentală din figura 1.În cazul metalelor simple, la temperatura camerei,coeficientului Seebeck absolut αT este de câţiva μV/K, astfelîncât la o diferenţă de temperatură între suduriΔT = T2 −T1 =100K se obţine o tensiune termoelectrică deordinul mV. De asemenea, în cazul metalelor, coeficientul Seebeck este slab dependent de temperatură şi este puţin influenţat de impurităţi, spre deosebire de cazul

semiconductorilor care, în schimb, prezintă o sensibilitate termoelectrică mult mai mare.

Efectul Seebeck are aplicaţii la confecţionarea termocuplelor, dispozitive care sunt

folosite la măsurarea temperaturilor. Materialele din care sunt confecţionate termocuplele se aleg în functie de intervalul de temperatura, de precizia necesară, de cost, durata de viaţă etc.