I fenomeni termoelettrici sono un argomento separato in fisica, in cui considerano come la temperatura può generare elettricità e quest'ultima porta a un cambiamento di temperatura. Uno dei primi fenomeni termoelettrici scoperti fu l'effetto Seebeck.
Prerequisiti per l'apertura dell'effetto
Nel 1797, il fisico italiano Alessandro Volta, conducendo ricerche nel campo dell'elettricità, scoprì uno dei fenomeni sorprendenti: scoprì che quando due materiali solidi entrano in contatto, appare una differenza di potenziale nell'area di contatto. Si chiama differenza di contatto. Fisicamente, questo fatto significa che la zona di contatto di materiali dissimili ha una forza elettromotrice (EMF) che può portare alla comparsa di una corrente in un circuito chiuso. Se ora due materiali sono collegati in un circuito (per formare due contatti tra di loro), l'EMF specificato apparirà su ciascuno di essi, che sarà lo stesso in grandezza, ma opposto nel segno. Quest'ultimo spiega perché non viene generata corrente.
Il motivo della comparsa di campi elettromagnetici è un diverso livello di Fermi (energiastati di valenza degli elettroni) in diversi materiali. Quando questi ultimi vengono a contatto, il livello di Fermi si stabilizza (in un materiale diminuisce, in un altro aumenta). Questo processo si verifica a causa del passaggio di elettroni attraverso il contatto, che porta alla comparsa di un EMF.
Si noti subito che il valore EMF è trascurabile (dell'ordine di pochi decimi di volt).
Scoperta di Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (fisico tedesco) nel 1821, cioè 24 anni dopo la scoperta della differenza di potenziale di contatto da parte di Volt, condusse il seguente esperimento. Ha collegato una piastra di bismuto e rame e ha posizionato un ago magnetico accanto a loro. In questo caso, come detto sopra, non si è verificata alcuna corrente. Ma non appena lo scienziato ha portato la fiamma del bruciatore a uno dei contatti dei due metalli, l'ago magnetico ha cominciato a girare.
Ora sappiamo che la forza Ampère creata dal conduttore di corrente lo faceva girare, ma a quel tempo Seebeck non lo sapeva, quindi presumeva erroneamente che la magnetizzazione indotta dei metalli avvenisse a causa della temperatura differenza.
La corretta spiegazione di questo fenomeno fu data qualche anno dopo dal fisico danese Hans Oersted, il quale fece notare che si tratta di un processo termoelettrico, e una corrente scorre attraverso un circuito chiuso. Tuttavia, l'effetto termoelettrico scoperto da Thomas Seebeck attualmente porta il suo cognome.
Fisica dei processi in corso
Ancora una volta per consolidare la materia: l'essenza dell'effetto Seebeck è indurrecorrente elettrica come risultato del mantenimento di temperature diverse di due contatti di materiali diversi, che formano un circuito chiuso.
Per capire cosa succede in questo sistema e perché la corrente inizia a scorrere in esso, dovresti conoscere tre fenomeni:
- Il primo è già stato menzionato: si tratta dell'eccitazione dell'EMF nella regione di contatto dovuta all'allineamento dei livelli di Fermi. L'energia di questo livello nei materiali cambia all'aumentare o diminuire della temperatura. Quest'ultimo fatto porterà alla comparsa di una corrente se due contatti sono chiusi in un circuito (le condizioni di equilibrio nella zona di contatto dei metalli a temperature diverse saranno diverse).
- Il processo di spostamento dei portatori di carica dalle regioni calde a quelle fredde. Questo effetto può essere compreso se ricordiamo che gli elettroni nei metalli e gli elettroni e le lacune nei semiconduttori possono, in prima approssimazione, essere considerati un gas ideale. Come è noto, quest'ultimo, riscaldato a volume chiuso, aumenta la pressione. In altre parole, nella zona di contatto, dove la temperatura è più alta, anche la "pressione" del gas dell'elettrone (buco) è maggiore, quindi i portatori di carica tendono ad andare nelle zone più fredde del materiale, cioè in un altro contatto.
- Infine, un altro fenomeno che porta alla comparsa della corrente nell'effetto Seebeck è l'interazione dei fononi (vibrazioni reticolari) con i portatori di carica. La situazione appare come un fonone, che si sposta da una giunzione calda a una giunzione fredda, "colpisce" un elettrone (buco) e gli impartisce ulteriore energia.
Segnati tre processidi conseguenza, viene determinata la presenza di corrente nel sistema descritto.
Come viene descritto questo fenomeno termoelettrico?
Molto semplice, per questo introducono un certo parametro S, che viene chiamato coefficiente di Seebeck. Il parametro mostra se il valore EMF è indotto se la differenza di temperatura di contatto viene mantenuta uguale a 1 Kelvin (gradi Celsius). Cioè, puoi scrivere:
S=ΔV/ΔT.
Qui ΔV è l'EMF del circuito (tensione), ΔT è la differenza di temperatura tra le giunzioni calde e fredde (zone di contatto). Questa formula è solo approssimativamente corretta, poiché S generalmente dipende dalla temperatura.
I valori del coefficiente Seebeck dipendono dalla natura dei materiali a contatto. Tuttavia, possiamo sicuramente dire che per i materiali metallici questi valori sono pari a unità e decine di μV/K, mentre per i semiconduttori sono centinaia di μV/K, cioè i semiconduttori hanno una forza termoelettrica maggiore di un ordine di grandezza rispetto ai metalli. La ragione di questo fatto è una maggiore dipendenza delle caratteristiche dei semiconduttori dalla temperatura (conduttività, concentrazione dei portatori di carica).
Efficienza del processo
Il fatto sorprendente del trasferimento di calore in elettricità apre grandi opportunità per l'applicazione di questo fenomeno. Tuttavia, per il suo uso tecnologico, non solo l'idea in sé è importante, ma anche le caratteristiche quantitative. Innanzitutto, come è stato mostrato, la fem risultante è piuttosto piccola. Questo problema può essere aggirato utilizzando un collegamento in serie di un gran numero di conduttori (cheviene eseguito nella cella di Peltier, che verrà discussa di seguito).
In secondo luogo, è una questione di efficienza nella generazione di energia termoelettrica. E questa domanda rimane aperta fino ad oggi. L'efficienza dell'effetto Seebeck è estremamente bassa (circa il 10%). Cioè, di tutto il calore speso, solo un decimo di esso può essere utilizzato per svolgere lavori utili. Molti laboratori in tutto il mondo stanno cercando di aumentare questa efficienza, cosa che può essere ottenuta sviluppando materiali di nuova generazione, ad esempio utilizzando la nanotecnologia.
Usare l'effetto scoperto da Seebeck
Nonostante la bassa efficienza, trova comunque il suo impiego. Di seguito sono elencate le aree principali:
- Termocoppia. L'effetto Seebeck viene utilizzato con successo per misurare le temperature di vari oggetti. Infatti, un sistema di due contatti è una termocoppia. Se si conoscono il suo coefficiente S e la temperatura di una delle estremità, misurando la tensione che si verifica nel circuito, è possibile calcolare la temperatura dell' altra estremità. Le termocoppie vengono utilizzate anche per misurare la densità dell'energia radiante (elettromagnetica).
- Generazione di elettricità sulle sonde spaziali. Le sonde lanciate dall'uomo per esplorare il nostro sistema solare o oltre utilizzano l'effetto Seebeck per alimentare l'elettronica a bordo. Ciò avviene grazie a un generatore termoelettrico a irraggiamento.
- Applicazione dell'effetto Seebeck nelle auto moderne. Lo hanno annunciato BMW e Volkswagenla comparsa nelle loro auto di generatori termoelettrici che utilizzeranno il calore dei gas emessi dal tubo di scarico.
Altri effetti termoelettrici
Ci sono tre effetti termoelettrici: Seebeck, Peltier, Thomson. L'essenza del primo è già stata considerata. Per quanto riguarda l'effetto Peltier, esso consiste nel riscaldare un contatto e nel raffreddare l' altro, se il circuito sopra discusso è collegato ad una sorgente di corrente esterna. Cioè, gli effetti Seebeck e Peltier sono opposti.
L'effetto Thomson ha la stessa natura, ma è considerato sullo stesso materiale. La sua essenza è il rilascio o l'assorbimento di calore da parte di un conduttore attraverso il quale scorre corrente e le cui estremità sono mantenute a diverse temperature.
Cella di Peltier
Quando si parla di brevetti per moduli termogeneratori con effetto Seebeck, ovviamente, la prima cosa che ricordano è la cella di Peltier. È un dispositivo compatto (4x4x0,4 cm) costituito da una serie di conduttori di tipo n e p collegati in serie. Puoi farlo da solo. Gli effetti Seebeck e Peltier sono al centro del suo lavoro. Le tensioni e le correnti con cui funziona sono piccole (3-5 V e 0,5 A). Come accennato in precedenza, l'efficienza del suo lavoro è molto piccola (≈10%).
È usato per risolvere compiti quotidiani come riscaldare o raffreddare l'acqua in una tazza o ricaricare un telefono cellulare.
