Efectes termoelèctrics Seebeck, Peltier i Thomson

El funcionament dels frigorífics i generadors termoelèctrics es basa en fenòmens termoelèctrics. Aquests inclouen els efectes Seebeck, Peltier i Thomson. Aquests efectes estan relacionats tant amb la conversió d'energia tèrmica en energia elèctrica com amb la conversió d'energia elèctrica en energia freda.

Les propietats termoelèctriques dels cables es deuen a les connexions entre la calor i els corrents elèctrics:

• Efecte Seebeck — aparició termo-EMF en una cadena de cables desiguals, a diferents temperatures dels seus trams;
• Efecte Peltier: absorció o alliberament de calor al contacte de dos conductors diferents quan un corrent elèctric continu els travessa;
• Efecte Thomson: absorció o alliberament de calor (super-joule) en el volum d'un conductor quan passa per un pol, corrent elèctric en presència d'un gradient de temperatura.

Els efectes Seebeck, Peltier i Thompson es troben entre els fenòmens cinètics. Estan relacionats amb els processos de moviment de càrrega i energia, per això sovint s'anomenen fenòmens de transferència.Els fluxos direccionals de càrrega i energia en un cristall es generen i es mantenen per forces externes: camp elèctric, gradient de temperatura.

Flux direccional de partícules (en particular els portadors de càrrega: electrons i forats) també es produeix en presència d'un gradient de concentració d'aquestes partícules. El camp magnètic en si no crea fluxos dirigits de càrrega o energia, sinó que afecta els fluxos creats per altres influències externes.

Efecte Seebekov

L'efecte Seebeck és que si en un circuit elèctric obert que consta de diversos conductors diferents un dels contactes manté la temperatura T1 (unió calenta) i l'altre la temperatura T2 (unió freda), llavors amb la condició que T1 no sigui igual a T2. als extrems apareix al circuit una força termoelectromotriu E. Quan els contactes estan tancats, apareix un corrent elèctric al circuit.

Efecte Seebekov:

En presència d'un gradient de temperatura al conductor, el flux de difusió tèrmica dels portadors de càrrega es produeix des de l'extrem calent fins a l'extrem fred. Si el circuit elèctric està obert, els portadors s'acumulen a l'extrem fred, carregant-lo negativament si es tracta d'electrons, i positivament en el cas de la conducció del forat. En aquest cas, la càrrega iònica no compensada roman a l'extrem calent.

El camp elèctric resultant frena el moviment dels portadors cap a l'extrem fred i accelera el moviment dels portadors cap a l'extrem calent. La funció de distribució no equilibrada formada pel gradient de temperatura es desplaça sota l'acció del camp elèctric i es deforma fins a cert punt. La distribució resultant és tal que el corrent és zero. La força del camp elèctric és proporcional al gradient de temperatura que l'ha provocat.

El valor del factor de proporcionalitat i el seu signe depenen de les propietats del material. És possible detectar el camp elèctric Seebeck i mesurar la força termoelectromotriu només en un circuit compost per diferents materials. Les diferències en els contactes de potencial corresponen a la diferència de potencials químics dels materials que entren en contacte.

Efecte Peltier

L'efecte Peltier és que quan un corrent continu passa per un termoparell format per dos conductors o semiconductors, una certa quantitat de calor s'allibera o s'absorbeix al punt de contacte (depenent de la direcció del corrent).

Quan els electrons es mouen d'un material de tipus p a un material de tipus n mitjançant un contacte elèctric, han de superar una barrera energètica i agafar energia de la xarxa cristal·lina (unió freda) per fer-ho. Per contra, quan es passa d'un material de tipus n a un material de tipus p, els electrons donen energia a la xarxa (unió calenta).

Efecte Peltier:

Efecte Thomson

L'efecte Thomson és que quan un corrent elèctric travessa un conductor o semiconductor en el qual es crea un gradient de temperatura, a més de la calor Joule, s'allibera o s'absorbeix una certa quantitat de calor (segons la direcció del corrent).

La raó física d'aquest efecte està relacionada amb el fet que l'energia dels electrons lliures depèn de la temperatura. Aleshores, els electrons adquireixen una energia més gran en el compost calent que en el fred. La densitat d'electrons lliures també augmenta amb l'augment de la temperatura, donant lloc a un flux d'electrons de l'extrem calent a l'extrem fred.

La càrrega positiva s'acumula a l'extrem calent i la càrrega negativa a l'extrem fred. La redistribució de les càrregues impedeix el flux d'electrons i, a una certa diferència de potencial, l'atura completament.

Els fenòmens descrits anteriorment es produeixen de manera similar en substàncies amb conducció per forats, amb l'única diferència que s'acumula càrrega negativa a l'extrem calent i forats carregats positivament a l'extrem fred. Per tant, per a les substàncies amb conductivitat mixta, l'efecte Thomson resulta ser insignificant.

Efecte Thomson:

L'efecte Thomson no ha trobat aplicació pràctica, però es pot utilitzar per determinar el tipus de conductivitat d'impureses dels semiconductors.

Ús pràctic dels efectes Seebeck i Peltier

Fenòmens termoelèctrics: efectes Seebeck i Peltier — trobeu aplicació pràctica en convertidors de calor sense màquina a energia elèctrica — Generadors termoelèctrics (TEG), en bombes de calor: dispositius de refrigeració, termòstats, aparells d'aire condicionat, en sistemes de mesura i control com sensors de temperatura, flux de calor (vegeu: Convertidors termoelèctrics).

Al cor dels dispositius termoelèctrics hi ha elements especials semiconductors-transductors (termoelements, mòduls termoelèctrics), per exemple, com TEC1-12706. Llegeix més aquí: Element Peltier: com funciona i com comprovar i connectar