Effetti termoelettrici di Seebeck, Peltier e Thomson

Il funzionamento di frigoriferi e generatori termoelettrici si basa su fenomeni termoelettrici. Questi includono gli effetti Seebeck, Peltier e Thomson. Questi effetti sono legati sia alla conversione dell'energia termica in energia elettrica, sia alla conversione dell'energia elettrica in energia fredda.

Le proprietà termoelettriche dei fili sono dovute alle connessioni tra calore e correnti elettriche:

• Effetto Seebeck: emergenza termo-EMF in una catena di fili irregolari, a diverse temperature delle sue sezioni;
• Effetto Peltier - assorbimento o rilascio di calore al contatto di due diversi conduttori quando una corrente elettrica continua li attraversa;
• Effetto Thomson — assorbimento o rilascio di calore (super-Joule) nel volume di un conduttore quando passa attraverso un polo, corrente elettrica in presenza di un gradiente di temperatura.

Gli effetti Seebeck, Peltier e Thompson sono tra i fenomeni cinetici. Sono legati ai processi di movimento di carica ed energia, quindi sono spesso chiamati fenomeni di trasferimento.I flussi direzionali di carica ed energia in un cristallo sono generati e mantenuti da forze esterne: campo elettrico, gradiente di temperatura.

Flusso direzionale di particelle (in particolare portatori di carica — elettroni e lacune) si verifica anche in presenza di un gradiente di concentrazione di queste particelle. Il campo magnetico stesso non crea flussi diretti di carica o energia, ma influenza i flussi creati da altre influenze esterne.

Effetto Seebekov

L'effetto Seebeck è che se in un circuito elettrico aperto costituito da più conduttori diversi uno dei contatti mantiene la temperatura T1 (giunto caldo) e l'altro la temperatura T2 (giunto freddo), allora a condizione che T1 non sia uguale a T2 alle estremità appare sul circuito una forza termoelettromotrice E. Quando i contatti sono chiusi, nel circuito appare una corrente elettrica.

Effetto Seebekov:

In presenza di un gradiente di temperatura nel conduttore, il flusso di diffusione termica dei portatori di carica avviene dall'estremità calda all'estremità fredda. Se il circuito elettrico è aperto, i portatori si accumulano all'estremità fredda, caricandolo negativamente se si tratta di elettroni e positivamente nel caso di conduzione di lacune. In questo caso, la carica ionica non compensata rimane all'estremità calda.

Il campo elettrico risultante rallenta il movimento dei portatori verso l'estremità fredda e accelera il movimento dei portatori verso l'estremità calda. La funzione di distribuzione di non equilibrio formata dal gradiente di temperatura si sposta sotto l'azione del campo elettrico e si deforma in una certa misura. La distribuzione risultante è tale che la corrente è zero. L'intensità del campo elettrico è proporzionale al gradiente di temperatura che lo ha provocato.

Il valore del fattore di proporzionalità e il suo segno dipendono dalle proprietà del materiale. È possibile rilevare il campo elettrico di Seebeck e misurare la forza termoelettromotrice solo in un circuito composto da materiali diversi. Le differenze di potenziale di contatto corrispondono alla differenza di potenziale chimico dei materiali che entrano in contatto.

Effetto Peltier

L'effetto Peltier è che quando una corrente continua passa attraverso una termocoppia costituita da due conduttori o semiconduttori, una certa quantità di calore viene rilasciata o assorbita nel punto di contatto (a seconda della direzione della corrente).

Quando gli elettroni si spostano da un materiale di tipo p a un materiale di tipo n attraverso un contatto elettrico, devono superare una barriera energetica e prendere energia dal reticolo cristallino (giunzione fredda) per farlo. Al contrario, quando si passa da un materiale di tipo n a un materiale di tipo p, gli elettroni donano energia al reticolo (giunzione calda).

Effetto Peltier:

Effetto Thomson

L'effetto Thomson è che quando una corrente elettrica scorre attraverso un conduttore o un semiconduttore in cui si crea un gradiente di temperatura, oltre al calore Joule, viene rilasciata o assorbita una certa quantità di calore (a seconda della direzione della corrente).

La ragione fisica di questo effetto è legata al fatto che l'energia degli elettroni liberi dipende dalla temperatura. Quindi gli elettroni acquistano un'energia maggiore nel composto caldo che in quello freddo. Anche la densità degli elettroni liberi aumenta con l'aumentare della temperatura, determinando un flusso di elettroni dall'estremità calda a quella fredda.

La carica positiva si accumula all'estremità calda e la carica negativa all'estremità fredda. La ridistribuzione delle cariche impedisce il flusso di elettroni e, a una certa differenza di potenziale, lo arresta completamente.

I fenomeni sopra descritti si verificano in modo simile nelle sostanze con conduzione a lacuna, con l'unica differenza che la carica negativa si accumula all'estremità calda e le lacune caricate positivamente all'estremità fredda. Pertanto, per sostanze a conducibilità mista, l'effetto Thomson risulta essere trascurabile.

Effetto Thomson:

L'effetto Thomson non ha trovato applicazione pratica, ma può essere utilizzato per determinare il tipo di conducibilità delle impurità dei semiconduttori.

Uso pratico degli effetti Seebeck e Peltier

Fenomeni termoelettrici: effetti Seebeck e Peltier - trovano applicazione pratica nei convertitori di calore senza macchine in energia elettrica - generatori termoelettrici (TEG), nelle pompe di calore — dispositivi di raffreddamento, termostati, condizionatori d'aria, nei sistemi di misurazione e controllo quali sensori di temperatura, flusso di calore (cfr. Convertitori termoelettrici).

Al centro dei dispositivi termoelettrici ci sono speciali elementi semiconduttori-trasduttori (termoelementi, moduli termoelettrici), ad esempio, come TEC1-12706. Leggi di più qui: Elemento Peltier: come funziona e come controllare e connettere