Efecte Termoelectrice

1. Notiuni teoretice:

Efectele termoelectrice sunt efecte care apar în conductoarele strabatute de curent electric în prezenta unui gradient de temperaturã, sunt rezultatul interdependentei între curentul electric si curentul caloric.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.

Existã trei efecte termoelectrice:

- efectul Seebeck,

- efectul Thomson

- efectul Peltier.

Efectul Seebeck este conversia directa a diferentei de temperatura in electricitate. La curent electric nul apare o tensiune (forta) electromotoare daca gradientul termic este nenul. Efectul Seebeck constã în aparitia unei tensiuni electromotoare într-un circuit format din douã materiale diferite, ale cãror contacte (suduri) sunt mentinute la temperaturi diferite. Un calcul exact ale acestei tensiuni electromotoare se face în cadrul teoriei fenomenelor de transport. Tensiunea termoelectromotoare (Seebeck) depinde de natura conductoarelor si de diferenta de temperaturã între cele douã suduri.

E unde α reprezintã coeficientul Seeback

Coeficientul Seebeck este definit ca tensiunea de mers in gol produsa intre doua puncte pe un conductor in lugul caruia exista o distributie monotona, uniforma de temperatura - intre cele doua puncte caderea de temperature este 1K.

In circuitul:

,

unde:

- SA, SB sunt coeficientii Seebeck ai metalelor A si B;

- T1,T2 temperaturile celor doua parti ale jonctiunii.

Daca luam coeficinetii Seebeck constanti pentru a masura gradul temperaturii,

tensiunea devine:

Tensiunea Seebeck depinde de natura conductoarelor si de gradientul de temperatura.

Fluxurile de caldura (Jq) si de sarcina electrica (Je) ce pot aparea intr-un sistem termodinamic sunt independente, fiecare fiind functie liniara de fortele termodinamice determinate de gradientii de temperatura (T) si potentialul electric (V= -E) din sistem:

Unde Lij (cu I, j = 1,2 ) sunt coeficienþi fenomenologici si, conform principiului de

reciprocitate Onsager,L21 =L12 De asemenea, s-a admis existenta fortelor termodinamice:

Efectul Seebeck are aplicatii la confectionarea termocuplelor, dispozitive care sunt

folosite la mãsurarea temperaturilor. Materialele din care sunt confectionate termocuplele se

aleg în functie de intervalul de temperatura, de precizia necesarã, de cost, durata de viatã etc.

Aceste materiale sunt metale pure sau aliaje si dau denumirea termocuplului respectiv: platina: rhodiu-platina, nichel: crom-nichel, fier-constantan, cupru constantan, cromel-alumel, cromelcopel etc (vezi tabelul 2 de mai sus - Tabele cu valori ale coeficientului Seebeck si ale tensiunii Seebeck).

Termocuplele realizate din semiconductori se utilizeazã numai în anumite domenii de

temperatura si, de asemenea, pot fi folosite pentru constructia asa numitelor termoelemente,

dispozitive care transformã energia termicã în energie electricã prin efect Seebeck.

Dacã temperatura sudurii reci este mentinutã constantã (de obicei prin introducerea ei

într-un amestec de apã cu gheatã, astfel încât T1=273 K), tensiunea Seebeck va fi functie

numai de temperatura sudurii calde T2 :

Daca in aceste conditii se masoarã experimental valorile tensiunii Seebeck UAB la

diferite temperaturi ale sudurii calde T2 si se reprezintã grafic dependenþã într-un sistem

coordonate ( U AB ,ΔT) se obtine o curbã numitã curba de etalonare a termocuplului.

Efectul Peltier consta in conversia energiei termice in tensiune electica si viceversa. Are loc când curent trece prin doua metalele sau semiconductoarele (unul tip n si unul de tip p) care sunteti conecteti unul cu altul intr-o jonctiune ( jonctiunile Peltier). Curente conduce un transfer de caldurã de la una din jonctiune la cealta si astfel are loc transferul de caldura de la o jonctiune la cealalta.Acest efect a fost observat în 1834 de Jean Peltier, 13 ani dupa descoperirea lui Seebeck Acesta este opusului efectului Seebeck.

Coeficientul Peltier P al jonctiunii e definit ca energie termica cedata sau absorbita reversibil la jonctiunea dintre cele doua metale cand aceasta e traversata de cantitatea de electricitate unitate([P]SI = J/C = V).

,

unde:

- AB¬ este coeficinetul Peltier a intregului termocuplu;

- ΠA, ΠB sunt coeficientii Peltier pentru fiecare material in parte.

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI