Efecte termoelèctric

El efecte termoelèctric és la conversió de la diferència de temperatura a voltage elèctric i viceversa. Un dispositiu termoelèctric crea un voltage quan hi ha una diferència de temperatura a cada costat. Pel contrari quan se li aplica un voltage, crea una diferència de temperatura (conegut com a efecte Peltier). A nivell atòmic, quan s'aplica una diferència de temperatura en un material, els portadors de càrrega (electrons o buits) tendixen a moure's des de la zona més calenta cap a la més freda. Açò ocorre de manera similar a com un gas s'expandix quan es calfa. Com a resultat, es genera una corrent elèctrica per este moviment induït per la temperatura.

Este efecte es pot usar per a generar electricitat, medir temperatura, gelar objectes, o calfar-los o cuinar-los. Ya que la direcció de calfament o refredat és determinada pel signe del voltage aplicat, els dispositius termoelèctrics poden ser controladors de temperatura molt convenients.

Tipos d'efectes termoelèctrics

Tradicionalment, el terme efecte termoelèctric o termoelectricidad comprén tres efectes identificats separadament: el efecte Seebeck, el efecte Peltier, i el efecte Thomson. En molts llibres de text, l'efecte termoelèctric pot cridar-se efecte Peltier-Seebeck. Esta separació prové de descobriments independents del físic francés Jean Peltier i del físic estonio-alemà Thomas Johann Seebeck. l'efecte Joule, la calor generada quan s'aplica un voltage a través d'un material resistivo, és fenomen relacionat, encara que no es denomine generalment un efecte termoelèctric (i es considera usualment com un mecanisme de pèrdua per la no idealidad dels dispositius termoelèctrics). Els efectes Peltier-Seebeck i Thomson poden, en principi, ser termodinámicamente reversibles, mentres que el calfament Joule no ho és.

Fenomen termoelèctric: l'efecte d'una transformació directa del voltage elèctric que ocorre entre dos punts del sistema corporal en la diferència de temperatura entre estos punts, o viceversa: la diferència de temperatura en voltage elèctric. Este fenomen s'utilisa para

• calefacció,
• refredat,
• medició de temperatura.

Ya que el voltage elèctric és fàcil de controlar i es pot registrar en precisió, els dispositius que utilisen l'efecte termoelèctric permeten un control de temperatura molt precís i l'automatisació dels processos de refrigeració i calefacció.

Depenent de la direcció de transformació, els fenomens termoelèctrics es dividixen en:

• Efecte Seebeck: la formació d'una força termoelèctrica en un circuit tancat que consta de dos metals diferents, sempre que els punts de contacte d'estos metals estiguen a diferents temperatures,
• Efecte Peltier: quan la corrent elèctrica fluïx a través de l'unió de dos metals diferents, l'unió es calfa o es gela, depenent de la direcció del fluix.
• Fenomen de Thomson: calfament o refredat pel fluix de corrent que també ocorre en un conductor homogéneu, els extrems del qual estan a diferents temperatures.

Efecte Seebeck

Archiu:Seebeck effect circuit.svg

Circuit que mostra l'efecte Seebeck

El efecte Seebeck és la conversió de diferències de temperatura directament a electricitat.

Seebeck va descobrir que l'agulla d'una brúixola es desviava quan es formava un circuit tancat de dos metals units en dos llocs en una diferència de temperatura entre les unions. Açò es deu a que els electrons es veuen excitats nivells energètics de manera diferent depenent del material, provocant una diferència de potencial en l'unió d'estos i, conseqüentment, creant una corrent de circuit, que produïx un camp magnètic. Seebeck, aixina i tot, en eixe moment no va reconéixer allí una corrent elèctrica implicada, aixina que va cridar al fenomen l'efecte termomagnético, pensant que els dos metals quedaven magnéticamente polarisats pel gradient de temperatura. El físic Danés Hans Christian Ørsted va jugar un paper vital en l'explicació i concepció del terme “termoelectricidad”.

L'efecte és que un voltage, la FEM termoelèctrica, es crea en presència d'una diferència de temperatura entre dos metals o semiconductorés diferents. Açò ocasiona una corrent contínua en els conductors si ells formen un circuit complet. El voltage creat és de l'orde de varis microvoltios per kelvin de diferència. Una d'eixes combinacions, coure-constantán, té un coeficient Seebeck de 41 microvoltios per kelvin a temperatura ambiente.

En el circuit: Archiu:Peltier effect circuit.svg

(que pot estar en vàries configuracions diferents i regir-se per la mateixa equació), el voltage obtingut pot ser derivat de:

$V=\underset{T_1}{\overset{T_2}{\int }}(S_{\mathrm{B}}(T)-S_{\mathrm{A}}(T))dT$

S_A i S_B són els coeficients Seebeck dels metals A i B en funció de la temperatura, i T₁ i T₂ són les temperatures de les dos unions. Els coeficients Seebeck no són llineals en funció de la temperatura, i depenen de la temperatura absoluta, material i estructura molecular dels conductors. Si els coeficients Seebeck són efectivament constants per al ranc de temperatura medit, la fòrmula anterior pot aproximar-se com:

$V=(S_{\mathrm{B}}-S_{\mathrm{A}})\cdot (T_2-T_1)$

L'efecte Seebeck s'usa comunament en dispositius cridats termoparell (perque està fet d'un acople o unió de materials, generalment metals) per a medir una diferència de temperatura directament o per a medir una temperatura absoluta colocant un extrem a una temperatura coneguda. Una sonda metàlica mantinguda a una temperatura constant en contacte en un segon metal de composició desconeguda pot classificar-se per este efecte TE. Instruments de control de calitat industrials usen este efecte Seebeck per a identificar aleacions metàliques. Açò es coneix com a classificació Termoelèctrica d'aleació.

Varis termoparells quan es conecten en série són cridats termopila, la qual es construïx a voltes per a aumentar el voltage d'eixida ya que el voltage induït sobre cada acople és baix.

Est és també el principi de treball darrere dels diodos tèrmics i generadors termoelèctrics (tals com els generadors termoelèctrics de radioisòtops o GTR) els quals s'usen per a crear potència a partir de la diferència de calor.

L'efecte Seebeck es deu a dos efectes difusió de portador de càrrega i arrastre de fonones (descrits avall). Si abdós conexions es mantenen a la mateixa temperatura, pero una conexió s'obri i tanca periòdicament, es medix un voltage AC, el qual és també depenent de la temperatura. Esta aplicació de la sonda Kelvin a voltes s'usa per a demostrar que la física subjacent solament necessita una unió. I este efecte es veu encara si els arams solament s'acosten, pero no es toquen, aixina no es necessita difusió.

Coeficient de Seebeck

El Coeficient de Seebeck d'un material medix la magnitut d'un voltage termoelèctric induït en resposta a una diferència de temperatura a través d'eixe material, el coeficient de Seebeck té unitats de (V/K), encara que en la pràctica és més comuna usar microvoltios per kelvin. Els valors en els centenars de $\mu$V/K, negatius o positius, són típics de bons materials termoelèctrics. El terme termopotencia és un nom errat ya que medix el voltage o camp elèctric induït en resposta a la diferència de temperatura, no a la potència elèctrica. Una diferència de temperatura aplicada causa portadors carregats en el material, si hi ha electrons o buits, per a difondre's des del costat calent al costat fret, similar al gas clàssic que s'expandix quan es calfa. Portadors mòvils carregats migran al costat fret deixant arrere el seu núcleu immòvil opuestamente carregat al costat calent donant orige aixina al voltage termoelèctric (termoelèctric es referix al fet que el voltage és creat per una diferència de temperatura). ya que una separació de càrrega també crea un potencial elèctric, l'acumulació de portadors carregats en el costat fret finalment cessa en algun valor màxim ya que existix una cantitat de portadors carregats derivats moguts al costat calent com a resultat del camp elèctric en equilibri. Solament un increment en la diferència de temperatura pot recomençar una acumulació de més portadors de càrrega en el costat fret i aixina comportar a un increment en el voltage termoelèctric. Casualment el coeficient de Seebeck també medix l'entropía per portador de càrrega en el material. Per a ser més específics, la capacitat tèrmica electrònica molar parcial es diu que és igual a la potència termoelèctrica absoluta multiplicada pel negatiu de la constant de Faraday.

El coeficient de Seebeck d'un material representada per $S$ (o a voltes per $\alpha$), depén de la temperatura i estructura cristalina del material. Típicament els metals tenen coeficients de Seebeck baixos perque la majoria té bandes mig plenes. Abdós electrons (càrregues negatives) i buits (càrregues positives) contribuïxen al voltage termoelèctric induït aixina es cancelen cada u en la contribució al voltage d'un atre i fer-ho menut. En canvi, els semiconductors poden estar dopats en una cantitat en excés d'electrons o buits i aixina es pot tindre grans valors positius o negatius del coeficient de Seebeck segons la càrrega dels portadors en excés. El signe del coeficient de Seebeck pot definir que portadors carregats domina el transport elèctric en abdós metals i semiconductors.

Si la diferència de temperatura $\Delta T$ entre els dos extrems d'un material és menuda, llavors el coeficient de Seebeck d'un material es definix (aproximadament) com:

$S=\frac{\Delta V}{\Delta T}$

i un voltage termoelèctric $\Delta V$ es veu en els terminals. Aixina es pot escriure una relació del camp elèctric $E$ i el gradient de temperatura $\mathrm{\nabla }T$, per l'aproximació de l'equació:

$S=\frac{E}{\mathrm{\nabla }T}$

En la pràctica rarament es medix el coeficient de Seebeck absolut del material d'interés. Degut a que els electrodos conectats al multímetro es poden colocar en el material para de medir el voltage termoelèctric. El gradient de temperatura també induïx un voltage termoelèctric a través d'una de les puntes dels electrodos. Per lo tant el coeficient de Seebeck medit inclou una contribució del coeficient de Seebeck del material d'interés i del material dels electrodos de mida. El coeficient de Seebeck medit és llavors una contribució d'abdós i pot ser escrita com:

$S_{AB}=S_B-S_A=\frac{\Delta V_B}{\Delta T}-\frac{\Delta V_A}{\Delta T}$

Els superconductores tenen un coeficient de Seebeck igual a zero puix els portadors carregats no produïxen entropía. Açò permet una medició directa del coeficient de Seebeck absolut del material d'interés, ya que este és també el coeficient de Seebeck de tot el termoparell. Ademés, una mida del coeficient Thomson, $\mu$, d'un material es pot relacionar en el seu coeficient de Seebeck a través de:

$S=\int \frac{\mu }{T}dT$

El coeficient de Seebeck és un paràmetro important del material que determina l'eficiència de la termoelectricidad d'un material. Un major voltage termoelèctric induït per a un gradient de temperatura donat comportarà a una major eficiència. Lo ideal és desijar valors de coeficients de Seebeck molt grans ya que solament es necessita una cantitat chicoteta de calor per a crear un voltage gran. Este voltage es pot usar per a produir potència.

Difusió de portadors de càrrega

Els portadors de càrrega en els materials (electrons en metals, electrons i buits en els semiconductors, ions en els conductors iònics) es difondran quan un extrem d'un conductor està a una temperatura diferent de l'atre. Portadors calents es difondran des de l'extrem calent a l'extrem fret, puix hi ha menor densitat de portadors calents en l'extrem fret del conductor. Portadors frets es difondran des de l'extrem fret a l'extrem calent per la mateixa raó.

Si el conductor deixara alcançar l'equilibri termodinàmic, este procés resultaria en la distribució uniforme de calor a través del conductor (vore transferència de calor). El moviment de calor (en la forma de portadors carregats) d'un extrem a l'un atre es diu corrent de calor. Aixina com portadors de càrrega movent-se, és també una corrent elèctrica.

En un sistema a on abdós extrems es mantenen a diferència constant de temperatura (una corrent constant de calor d'un extrem a un atre), és una difusió constant de portadors. Si la raó de difusió de portadors calents i fredor en direccions opostes és igual, allí no seria un canvi net en la càrrega. Pero, la difusió de càrrega es dispersa en impurees, imperfeccions, i vibracions de la ret cristalina (fonones). Si la dispersió depén de l'energia, els portadors calents i fredor es difondran a raons diferents. Açò crea una densitat major de portadors a un extrem del material, i la distància entre les càrregues positives i negatives produïx una diferència de potencial; un voltage electrostàtic.

Este camp elèctric, no obstant, s'opon a la dispersió desigual de portadors, i s'alcança un equilibri a on el número net de portadors difosos és cancelat pel número net de portadors movent-se en direcció oposta des del camp electrostàtic. Açò indica que el coeficient de Seebeck d'un material depén grandemente de les impurees, imperfeccions, i canvis estructurals (el qual freqüentment varia entre ells mateixos en la temperatura i el camp elèctric), i el valor del coeficient de Seebeck d'un material és la colecció de molts efectes diferents.

Al principi els termoparells eren metàlics, pero més recentment dispositius termoelèctrics es desenrollen d'elements semiconductors alternats tipo-p i tipo-n conectats per interconectores metàlics com es dibuixa en la figura d'avall. Les unions dels semiconductors són comuns especialment en dispositius de generació de potència, mentres que les unions metàliques són més comunes en mides de temperatura. La càrrega fluïx a través de l'element tipo-n, creua una interconexió metàlica, i pansa a l'element tipo-p. Si se suministra una font de potència, el dispositiu termoelèctric pot actuar com un enfriador, com en la figura esquerra d'avall. Açò és l'efecte Peltier, descrit en la pròxima secció. Els electrons en l'element tipo-n es mouran a la direcció oposta de la corrent i els buits en l'element tipo-p es mouran en la direcció de la corrent, abdós removent calor d'un costat del dispositiu. Si se suministra una font de calor, el dispositiu termoelèctric pot funcionar com un generador de potència, com en la figura dreta d'avall. La font de calor conduirà electrons en l'element tipo-n cap a la regió més freda, aixina es crea una corrent a través del circuit. Els buits en l'element tipo-p fluiran llavors en la direcció de la corrent. La corrent es pot usar per a impulsar una càrrega, aixina es convertix l'energia tèrmica en energia elèctrica.

Archiu:Thermoelectric Cooler Diagram.svgArchiu:Thermoelectric Generator Diagram.svg

Arrastre de fonones

Els fonones no estan sempre en equilibri tèrmic local; es mouen contra el gradient tèrmic. Perden moment per l'interacció en electrons (o atres portadors) i imperfeccions en el cristal. Si l'interacció fonón-electró predomina, els fonones tendiran a espentar els electrons a un dels extrems del material, perdent moment en el procés. Açò aporta al camp elèctric ya present. Este aporte és el més important en la regió de temperatura a on predomina la dispersió fonón-electró. Açò passa per:

$T\approx \frac{1}{5}{\theta }_{\mathrm{D}}$

a on: $\theta$_D és la temperatura de Debye. A menors temperatures hi ha menys fonones disponibles per a arrastrar, i a majors temperatures tendixen a perdre moment en dispersió fonón-fonón en lloc de dispersió fonón-electró. Esta regió del coeficient de Seebeck contra la funció de temperatura és altament variable baix un camp magnètic.

Efecte Seebeck d'espin i bateries magnètiques

Físics han descobert recentment que calfar un costat d'una barra de níquel-ferro magnetizada permet a electrons reacomodarse segons els seus espin. Açò aixina cridat “efecte Seebeck d'espin” podria donar lloc a bateries que generen corrents magnètiques, en lloc de corrent elèctrica. Una font de corrent magnètica podria ser útil especialment per al desenroll de dispositius espintrónicos, el qual usa corrents magnètiques a fi de reduir la recalfada en chips de computador, puix, a diferència de les corrents elèctriques, les corrents magnètiques no generen calor.