Effetto Seebeck: descrizione, spiegazione e uso

Il principale metodo di produzione di grandi quantità di elettricità è attualmente effettuato a causa del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, che comporta il movimento meccanico di un conduttore in un campo magnetico. Tuttavia, c'è un altro modo per ottenere questo tipo di energia: usando la temperatura. Per comprendere l'essenza di questo processo, l'effetto Seebeck dovrebbe essere considerato.

Processi termoelettrici

In fisica, questa frase si riferisce ai processi di natura reversibile, che sono associati ai fenomeni di trasferimento di carica (corrente elettrica) e calore (conduttività termica). Ci sono tre diversi fenomeni termoelettrici che sono interconnessi. Questi sono effetti:

• Seebeck;
• Peltier;
• Thomson (Kelvin).

Si noti che l'effetto Joule, che è la radiazione di un conduttore di calore quando la corrente passa attraverso di esso, non è incluso nella lista sopra, poiché è un processo irreversibile.

Scoperta di Thomas Johann Seebeck

Nel 1821, il fisico estone-tedesco Thomas Seebeck condusse un esperimento interessante: collegò due piastre tra loro, che erano fatte di materiali diversi (bismuto e rame) in un anello chiuso. Quindi ha riscaldato uno dei contatti. Lo scienziato osservò che l'ago magnetico della bussola, che si trovava vicino al circuito conduttore, cominciò a cambiare direzione. Di conseguenza, lo scienziato ha deciso che i due materiali (rame e bismuto) sono polarizzati in modo diverso a causa dell'azione del calore, quindi ha determinato l'effetto aperto come termomagnetico, non termoelettrico.

Successivamente, lo scienziato danese Hans Oersted ha fornito la spiegazione corretta dell'effetto scoperto da Seebeck, definendolo un processo termoelettrico.

L'essenza dell'effetto aperto

Dal paragrafo precedente, è possibile concludere in modo indipendente che si tratta di un fenomeno termoelettrico. La sua essenza è la seguente: se colleghi due materiali qualsiasi tra loro in un circuito e sottoponi i loro contatti a differenze di temperatura, allora una corrente fluirà nel circuito.

Si noti che per osservare questo effetto, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

• La presenza di un circuito chiuso (la corrente elettrica non esiste nel circuito aperto).
• La presenza di contatto da due metalli dissimili (se i conduttori portati a contatto sono fatti dello stesso materiale, non si osserverà alcuna differenza di potenziale). Questi materiali possono essere coppie come il metallo e un altro metallo, metallo e semiconduttore o due semiconduttori di diverso tipo (p e n).
• La presenza di una differenza di temperatura tra i due contatti dei conduttori. Questa differenza è alla base del fenomeno dell'EMF (forza elettromotrice). Si noti che è il contatto dei due materiali che dovrebbero essere riscaldati (raffreddati) e non uno di essi.

Spiegazione fisica dell'effetto

L'effetto termoelettrico descritto è un fenomeno piuttosto complicato. Per capirlo, si consideri un sistema composto da conduttori di rame e ferro interconnessi. Prestare attenzione ai processi che si verificano nella zona di contatto di Cu-Fe, che viene riscaldata. Acquisendo ulteriore energia cinetica, gli elettroni nella regione di riscaldamento creano una "pressione" più elevata del gas degli elettroni, e quindi tendono a fuggire da essa verso l'estremità più fredda del circuito. Al contrario, il contatto Cu-Fe, che è raffreddato, causa una perdita dell'energia cinetica dei portatori di carica, questo porta ad una diminuzione della pressione che creano nella zona di contatto. Quest'ultimo fatto porta all'attrazione di vettori a carico gratuito nella regione fredda.

Se i metalli nel contatto fossero gli stessi, allora le velocità di deriva degli elettroni come risultato della differenza di temperatura sarebbero le stesse, e le loro direzioni in ciascun conduttore sarebbero opposte, cioè non si verificherebbe alcuna differenza di potenziale. Ma poiché i metalli hanno una natura diversa, reagiscono in modo diverso al calore (il cambiamento nella "pressione" degli elettroni e la velocità della loro deriva sono diversi per Fe e Cu). Questa è la ragione per la comparsa di EMF nella zona di contatto.

Si noti che nello spiegare la fisica del processo, è stata utilizzata un'analogia con un gas ideale.

La direzione della corrente termica emergente, così come la sua ampiezza, è determinata dalla natura dei metalli, dalla differenza di temperatura dei contatti e dalle caratteristiche del circuito elettrico stesso.

Se consideriamo la fisica del processo per una coppia metallo-semiconduttore, allora non sarà diversa da quella per la coppia metallo-metallo considerata. L'applicazione di una differenza di temperatura a due contatti metallici con un semiconduttore nel secondo causa un flusso di elettroni (tipo n) o fori (tipo p) dalla regione calda a quella fredda, il che porta alla comparsa di una differenza di potenziale.

Se la differenza di temperatura non viene mantenuta a causa della rimozione di calore dalla zona fredda e della sua alimentazione al contatto caldo, allora l'equilibrio termodinamico viene rapidamente stabilito nel circuito e la corrente smette di scorrere.

Descrizione matematica del fenomeno in esame

Avendo capito che cos'è l'effetto Seebeck, puoi passare alla domanda della sua descrizione matematica. Qui la quantità principale è il cosiddetto coefficiente Seebeck. È espresso dalla formula:

S _AB = (V ₂ -V ₁ ) / (T ₂ -T ₁ ) = ΔV / ΔT.

Qui V ₂ e V ₁ sono i valori dei potenziali elettrici nell'area dei contatti caldi e freddi, T ₂ -T ₁ sono le differenze di temperatura di questi contatti, A e B sono due materiali del circuito chiuso considerato.

Il significato fisico del coefficiente S _AB è che mostra quale tipo di emf può essere ottenuto applicando una differenza di temperatura ai contatti di 1 kelvin. I valori tipici di S _AB per i moderni materiali termoelettrici sono diverse decine o centinaia di microvolt per kelvin.

Il coefficiente S _AB non _è una costante per i conduttori A e B, dipende dalla temperatura.

Efficienza del processo

Questo è il problema più interessante e rilevante che riguarda l'effetto termoelettrico considerato. Se, applicando una differenza di temperatura al circuito, è possibile produrre elettricità, allora questo fenomeno può essere utilizzato al posto dei generatori comuni basati sull'induzione elettromagnetica. Questa conclusione è corretta se l'efficienza dell'effetto Seebeck è sufficientemente elevata.

Per stimare l'efficienza, è consuetudine usare la seguente espressione:

Z * T = (S _AB ) ² * T / (ρ * λ).

Qui ρ è la resistività elettrica, λ è il coefficiente di conducibilità termica, Z è il fattore di efficienza del fenomeno termoelettrico.

Questa espressione è facile da capire: maggiore è il coefficiente di Seebeck, maggiore è la mobilità del portatore (minore resistenza) e minore è la conducibilità termica del materiale (aiuta a livellare il gradiente di temperatura attraverso il trasferimento di carica e il movimento dei fononi del reticolo), maggiore è la prestazione del circuito come generatore di elettricità .

I valori di Z * T per i metalli sono generalmente bassi, poiché λ è grande. D'altra parte, anche gli isolanti non possono essere utilizzati a causa dei loro enormi valori ρ. La media aurea era l'uso dei semiconduttori.

Attualmente, per temperature diverse, si ottengono i valori di Z * T≈1, il che significa quanto segue: circa il 10% del calore speso viene convertito in energia elettrica (efficienza = 10%). Affinché questo effetto sia in grado di competere con i moderni modi di produzione di energia elettrica, è necessario sviluppare materiali per i quali Z * T sarà 3-4.

Dove usare questo effetto

La direzione più popolare del suo utilizzo sono gli strumenti di misurazione della temperatura, chiamati termocoppie. Se si conosce la temperatura di un'estremità della termocoppia (camera), quindi immergendo la sua seconda estremità nel corpo, la cui temperatura dovrebbe essere determinata, e misurando la fem risultante, si può facilmente trovare un valore sconosciuto.

Secondo le ultime notizie, due aziende automobilistiche tedesche (Volkswagen e BMW) dichiarano di aver iniziato ad applicare questo effetto per aumentare l'efficienza del motore a benzina. L'idea è di utilizzare il calore emesso dal tubo di scarico per generare termoelettricità. Secondo i rappresentanti di queste aziende, in questo modo sono stati in grado di ridurre il chilometraggio del gas del 5%.

La serie di sonde Voyager, la cui missione è esplorare lo spazio intorno a noi, utilizza l'effetto Seebeck per alimentare la sua elettronica. Il fatto è che le batterie solari al di fuori dell'orbita di Marte non possono essere utilizzate a causa della bassa densità di energia del Sole. A bordo della Voyager, un generatore termoelettrico è installato su isotopi di plutonio: l'ossido di plutonio radioattivo si decompone con il rilascio di calore, che viene utilizzato da una coppia di materiali semiconduttori (SiGe) per la conversione in elettricità.

Effetto di rotazione

Recentemente, gli scienziati hanno scoperto un fenomeno interessante: se il contatto magnetico di una coppia Ni-Fe viene riscaldato, l'elettrone gira nell'intero materiale è orientato in un certo modo, il che crea un campo magnetico. Questo fenomeno è chiamato effetto di rotazione Seebeck. Può essere usato per creare campi magnetici senza la partecipazione di corrente elettrica.

Effetto Peltier

Questo è il nome del fenomeno scoperto nel 1834 dal francese Jean Peltier. La sua essenza sta nel fatto che se una corrente elettrica viene fatta passare attraverso il contatto di diversi materiali, si riscalda o si raffredda a seconda della direzione di movimento dei portatori di carica. Viene utilizzato nella cosiddetta cella Peltier, che è in grado di riscaldare o raffreddare oggetti circostanti, ad esempio l'acqua, quando è collegata a una differenza di potenziale (circuito elettrico).

Pertanto, gli effetti di Peltier e Seebeck sono opposti l'uno all'altro.

Effetto Thomson (Kelvin)

È anche incluso nella lista dei fenomeni termoelettrici. Fu inaugurato da Lord Kelvin (William Thomson) nel 1851. Combina i fenomeni osservati da Peltier e Seebeck. L'essenza dell'effetto Thomson è la seguente: se viene creata una temperatura diversa alle estremità del conduttore e quindi viene applicata tensione, il conduttore inizierà a scambiare calore con l'ambiente. Cioè, non solo può allocarlo, ma anche assorbirlo, che dipende dalla polarità dei potenziali e dalla differenza di temperatura alle estremità.

La differenza di questo effetto dai due precedenti è che è implementata su uno e non su due conduttori diversi.

Tutti e tre gli effetti termodinamici sono matematicamente correlati tra loro.