Termopotencia

La termopotencia, o potència termoelèctrica (també cridada coeficient Seebeck) d'un material és una mida de la magnitut d'un voltage termoelèctric induït en resposta a una diferència de temperatura a través d'eixe material. La termopotencia té unitats de volts per kelvin (V/K), encara que es dona més a sovint en microvoltios per kelvin (

$\mu$

V/K).

El terme termopotencia és un nom errat ya que medix el voltage o camp elèctric (no la potència elèctrica) induït a una diferència de temperatura. Note que l'unitat de termopotencia (V/K) és diferent de l'unitat de potència (vats).

El fenomen quantificat per la termopotencia es diu efecte Seebeck. L'efecte Seebeck i dos fenomens relacionats (l'efecte Peltier i l'efecte Thomson) es diuen en conjunt el "efecte termoelèctric".

Física de la termopotencia

Artícul principal → Efecte Termoelèctric.

Clásicamente, 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 camp 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 la termopotencia també medix l'entropía per portador de càrrega en el material.

La termopotencia d'un material representada per $S$, depén de la temperatura i estructura cristalina del material. Típicament els metals tenen termopotencias baixes 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 de la termopotencia segons la càrrega dels portadors en excés. El signe de la termopotencia pot definir que portadors carregats domina el transport elèctric en abdós metals i semiconductors.

Els superconductores tenen termopotencia zero puix els portadors carregats no produïxen entropía. Equivalentemente, la termopotencia és zero degut a que és impossible tindre un voltage ínfim a través d'un superconductor. (Per eixemple, per Llei de Ohm, V=IR=0, la resistència, R, és igual a zero en un superconductor.)

Definició

Si la diferència de temperatura $\Delta$T entre dos extrems d'un material és menuda, llavors la termopotencia d'un material és convencionalment (encara que solament aproximadament, vore avall) definida com:

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

a on $\Delta$V és el voltage termoelèctric en els terminals. (vore avall per a major informació dels signes de $\Delta$V and $\Delta$T.)

Açò també pot escriure's en relació en el camp elèctric $E$ i el gradient de temperatura $\mathrm{\nabla }T$, per l'equació:

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

Estrictament parlant, estes dos expressions són solament aproximades: El numerador de la primera equació deuria ser la diferència en (potencial electroquímic dividida per -i), no el potencial elèctric, i també la segona equació deuria tindre el gradient del potencial electroquímic dividit per i en lloc del camp elèctric. No obstant, el potencial químic és a sovint constant relativament en funció de la temperatura, aixina que usar solament potencial elèctric en estos casos és molt bona aproximació.

Signe de la termopotencia

Ací, de nou, són les fòrmules per al coeficient Seebeck, en el signe de forma explícita:

$S=-\frac{V_{left}-V_{right}}{T_{left}-T_{right}}$

$𝐄=S\mathrm{\nabla }T$

a on "left" i "right" denoten dos extrems del material, i a on la segona equació s'entén com a vector multiplicació. Aixina, si S és positiva, l'extrem en major temperatura té el menor voltage, i viceversa, i el camp elèctric apuntarà en la mateixa direcció que el gradient de temperatura.

Note's que hi ha un signe menys en la primera equació, pero no en la segona. Açò és perque el camp elèctric apunta de major voltage cap a menor voltage, mentres que el gradient de temperatura apunta des de la menor temperatura cap a la major temperatura.

Portadors de càrrega tendixen a respondre a un gradient de temperatura movent-se en direcció oposta, és dir, de l'extrem calent a l'extrem fret. Tendixen a respondre a un camp elèctric en diferents formes segons la seua càrrega: càrregues positives tendixen a moure's en la mateixa direcció del camp, mentres que les càrregues negatives es mouen en la direcció oposta del camp. Per a alcançar-se l'equilibri, estes dos tendències tenen que cancelar-se. Aixina, per a materials purament tipo p que solament tenen càrregues mòvils positives (buits), el camp elèctric i el gradient de temperatura deurien apuntar en la mateixa direcció en equilibri, donant S>0. Aixina mateix, per a materials purament tipo n que solament tenen càrregues mòvils negatives(electrons), el camp elèctric i el gradient de temperatura deurien apuntar en direccions opostes en equilibri, donant S<0. En la pràctica, materials reals solen tindre abdós portadors de càrrega positius i negatius, i el signe de S normalment depén de cual d'ells predomina.