Els fenòmens termoelèctrics són un tema a part de la física, en què es plantegen com la temperatura pot generar electricitat, i aquesta última condueix a un canvi de temperatura. Un dels primers fenòmens termoelèctrics descoberts va ser l'efecte Seebeck.
Requisits previs per obrir l'efecte
L'any 1797, el físic italià Alessandro Volta, realitzant investigacions en el camp de l'electricitat, va descobrir un dels fenòmens sorprenents: va descobrir que quan dos materials sòlids entren en contacte, apareix una diferència de potencial a la zona de contacte. S'anomena diferència de contacte. Físicament, aquest fet significa que la zona de contacte de materials diferents té una força electromotriu (EMF) que pot provocar l'aparició d'un corrent en un circuit tancat. Si ara dos materials estan connectats en un circuit (per formar dos contactes entre ells), aleshores apareixerà l'EMF especificat a cadascun d'ells, que serà de la mateixa magnitud, però de signe oposat. Això últim explica per què no es genera corrent.
El motiu de l'aparició de CEM és un nivell diferent de Fermi (energiaestats de valència dels electrons) en diferents materials. Quan aquests últims entren en contacte, el nivell de Fermi s'anivella (en un material disminueix, en un altre augmenta). Aquest procés es produeix a causa del pas dels electrons a través del contacte, el que porta a l'aparició d'un EMF.
S'ha de tenir en compte de seguida que el valor EMF és insignificant (de l'ordre d'unes quantes dècimes de volt).
El descobriment de Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (físic alemany) l'any 1821, és a dir, 24 anys després del descobriment de la diferència de potencial de contacte per Volt, va realitzar el següent experiment. Va connectar una placa de bismut i coure, i va col·locar una agulla magnètica al seu costat. En aquest cas, com s'ha esmentat anteriorment, no es va produir cap corrent. Però tan bon punt el científic va portar la flama del cremador a un dels contactes dels dos metalls, l'agulla magnètica va començar a girar.
Ara sabem que la força d'Ampère creada pel conductor portador de corrent va fer que girés, però en aquell moment Seebeck no ho sabia, així que va suposar erròniament que la magnetització induïda dels metalls es produeix com a conseqüència de la temperatura. diferència.
L'explicació correcta d'aquest fenomen la va donar uns anys més tard el físic danès Hans Oersted, que va assenyalar que estem parlant d'un procés termoelèctric, i un corrent circula per un circuit tancat. No obstant això, l'efecte termoelèctric descobert per Thomas Seebeck actualment porta el seu cognom.
Física dels processos en curs
Un cop més per consolidar el material: l'essència de l'efecte Seebeck és induircorrent elèctric com a resultat del manteniment de temperatures diferents de dos contactes de materials diferents, que formen un circuit tancat.
Per entendre què passa en aquest sistema i per què el corrent comença a córrer en ell, hauríeu de familiaritzar-vos amb tres fenòmens:
- El primer ja s'ha esmentat: aquesta és l'excitació de l'EMF a la regió de contacte a causa de l'alineació dels nivells de Fermi. L'energia d'aquest nivell en els materials canvia a mesura que augmenta o baixa la temperatura. Aquest darrer fet provocarà l'aparició d'un corrent si es tanquen dos contactes en un circuit (les condicions d'equilibri a la zona de contacte dels metalls a diferents temperatures seran diferents).
- El procés de traslladar els portadors de càrrega de regions càlides a regions fredes. Aquest efecte es pot entendre si recordem que els electrons dels metalls i els electrons i els forats dels semiconductors poden, en una primera aproximació, ser considerats un gas ideal. Com és sabut, aquest últim, quan s'escalfa en un volum tancat, augmenta la pressió. És a dir, a la zona de contacte, on la temperatura és més alta, la "pressió" del gas d'electrons (forat) també és més alta, de manera que els portadors de càrrega tendeixen a anar a zones més fredes del material, és a dir, a un altre contacte.
- Finalment, un altre fenomen que provoca l'aparició de corrent en l'efecte Seebeck és la interacció dels fonons (vibracions de la xarxa) amb els portadors de càrrega. La situació sembla un fonó, que passa d'una unió calenta a una unió freda, "xoca" amb un electró (forat) i li imparteix energia addicional.
S'han marcat tres processoscom a resultat, es determina l'aparició de corrent al sistema descrit.
Com es descriu aquest fenomen termoelèctric?
Molt senzill, per això introdueixen un determinat paràmetre S, que s'anomena coeficient de Seebeck. El paràmetre mostra si el valor EMF s'indueix si la diferència de temperatura de contacte es manté igual a 1 Kelvin (grau Celsius). És a dir, pots escriure:
S=ΔV/ΔT.
Aquí ΔV és l'EMF del circuit (tensió), ΔT és la diferència de temperatura entre les unions calentes i fredes (zones de contacte). Aquesta fórmula només és aproximadament correcta, ja que S generalment depèn de la temperatura.
Els valors del coeficient Seebeck depenen de la naturalesa dels materials en contacte. No obstant això, definitivament podem dir que per als materials metàl·lics aquests valors són iguals a unitats i desenes de μV/K, mentre que per als semiconductors són centenars de μV/K, és a dir, els semiconductors tenen un ordre de magnitud de força termoelèctrica més gran que els metalls.. El motiu d'aquest fet és una dependència més forta de les característiques dels semiconductors de la temperatura (conductivitat, concentració de portadors de càrrega).
Eficiència del procés
El fet sorprenent de la transferència de calor a l'electricitat obre grans oportunitats per a l'aplicació d'aquest fenomen. No obstant això, pel seu ús tecnològic, no només és important la idea en si, sinó també les característiques quantitatives. En primer lloc, com s'ha demostrat, la fem resultant és força petita. Aquest problema es pot evitar utilitzant una connexió en sèrie d'un gran nombre de conductors (quees fa a la cel·la Peltier, que es comentarà a continuació).
En segon lloc, es tracta d'una qüestió d'eficiència de generació d'electricitat. I aquesta pregunta continua oberta fins avui. L'eficiència de l'efecte Seebeck és extremadament baixa (al voltant del 10%). És a dir, de tota la calor gastada, només una dècima part es pot utilitzar per realitzar treballs útils. Molts laboratoris d'arreu del món estan intentant augmentar aquesta eficiència, cosa que es pot fer desenvolupant materials de nova generació, per exemple, utilitzant nanotecnologia.
Utilitzar l'efecte descobert per Seebeck
Malgrat la baixa eficiència, encara troba el seu ús. A continuació es mostren les àrees principals:
- Termoparell. L'efecte Seebeck s'utilitza amb èxit per mesurar la temperatura de diversos objectes. De fet, un sistema de dos contactes és un termoparell. Si es coneix el seu coeficient S i la temperatura d'un dels extrems, mesurant la tensió que es produeix al circuit, és possible calcular la temperatura de l' altre extrem. Els termoparells també s'utilitzen per mesurar la densitat de l'energia radiant (electromagnètica).
- Generació d'electricitat a les sondes espacials. Sondes llançades per humans per explorar el nostre sistema solar o més enllà utilitzen l'efecte Seebeck per alimentar l'electrònica a bord. Això es fa gràcies a un generador termoelèctric de radiació.
- Aplicació de l'efecte Seebeck als cotxes moderns. BMW i Volkswagen van anunciarl'aparició als seus cotxes de generadors termoelèctrics que utilitzaran la calor dels gasos emesos pel tub d'escapament.
Altres efectes termoelèctrics
Hi ha tres efectes termoelèctrics: Seebeck, Peltier, Thomson. Ja s'ha considerat l'essència del primer. Pel que fa a l'efecte Peltier, consisteix a escalfar un contacte i refredar l' altre, si el circuit comentat anteriorment està connectat a una font de corrent externa. És a dir, els efectes Seebeck i Peltier són oposats.
L'efecte Thomson té la mateixa naturalesa, però es considera sobre el mateix material. La seva essència és l'alliberament o l'absorció de calor per part d'un conductor pel qual passa corrent i els extrems del qual es mantenen a diferents temperatures.
Cèl·lula Peltier
Quan parlem de patents de mòduls termogeneradors amb efecte Seebeck, aleshores, és clar, el primer que recorden és la cèl·lula Peltier. És un dispositiu compacte (4x4x0,4 cm) fet d'una sèrie de conductors de tipus n i p connectats en sèrie. Podeu fer-ho vos altres mateixos. Els efectes Seebeck i Peltier són el centre de la seva obra. Les tensions i corrents amb què treballa són petites (3-5 V i 0,5 A). Com s'ha esmentat anteriorment, l'eficiència del seu treball és molt petita (≈10%).
S'utilitza per resoldre tasques quotidianes com escalfar o refredar aigua en una tassa o recarregar un telèfon mòbil.
