Efeitos termoelétricos de Seebeck, Peltier e Thomson

O funcionamento de refrigeradores e geradores termoelétricos é baseado em fenômenos termoelétricos. Estes incluem os efeitos Seebeck, Peltier e Thomson. Esses efeitos estão relacionados tanto à conversão de energia térmica em energia elétrica quanto à conversão de energia elétrica em energia fria.

As propriedades termoelétricas dos fios se devem às conexões entre o calor e as correntes elétricas:

• Efeito Seebeck - emergência termo-EMF em uma cadeia de fios irregulares, em diferentes temperaturas de suas seções;
• Efeito Peltier — absorção ou liberação de calor no contato de dois condutores diferentes quando uma corrente elétrica direta passa por eles;
• Efeito Thomson — absorção ou liberação de calor (super-Joule) no volume de um condutor ao passar por um pólo, corrente elétrica na presença de um gradiente de temperatura.

Os efeitos Seebeck, Peltier e Thompson estão entre os fenômenos cinéticos. Eles estão relacionados aos processos de movimento de carga e energia, portanto, são frequentemente chamados de fenômenos de transferência.Fluxos direcionais de carga e energia em um cristal são gerados e mantidos por forças externas: campo elétrico, gradiente de temperatura.

Fluxo direcional de partículas (em particular portadores de carga - elétrons e buracos) também ocorre na presença de um gradiente de concentração dessas partículas. O próprio campo magnético não cria fluxos direcionados de carga ou energia, mas afeta os fluxos criados por outras influências externas.

efeito Seebekov

O efeito Seebeck é que, se em um circuito elétrico aberto composto por vários condutores diferentes, um dos contatos mantém a temperatura T1 (junção quente) e o outro a temperatura T2 (junção fria), então sob a condição de T1 não ser igual a T2 nas extremidades aparece no circuito uma força termoeletromotriz E. Quando os contatos são fechados, uma corrente elétrica aparece no circuito.

Efeito Seebekov:

Na presença de um gradiente de temperatura no condutor, o fluxo de difusão térmica dos portadores de carga ocorre da extremidade quente para a extremidade fria. Se o circuito elétrico estiver aberto, os portadores se acumulam na extremidade fria, carregando-o negativamente se forem elétrons e positivamente no caso de condução de lacunas. Nesse caso, a carga de íons não compensada permanece na extremidade quente.

O campo elétrico resultante retarda o movimento dos portadores em direção à extremidade fria e acelera o movimento dos portadores em direção à extremidade quente. A função de distribuição de não equilíbrio formada pelo gradiente de temperatura muda sob a ação do campo elétrico e é deformada até certo ponto. A distribuição resultante é tal que a corrente é zero. A força do campo elétrico é proporcional ao gradiente de temperatura que o causou.

O valor do fator de proporcionalidade e seu sinal dependem das propriedades do material. É possível detectar o campo elétrico de Seebeck e medir a força termoeletromotriz apenas em um circuito composto por materiais diferentes. As diferenças nos contatos de potencial correspondem à diferença nos potenciais químicos dos materiais que entram em contato.

efeito Peltier

O efeito Peltier é que quando uma corrente direta passa por um termopar que consiste em dois condutores ou semicondutores, uma certa quantidade de calor é liberada ou absorvida no ponto de contato (dependendo da direção da corrente).

Quando os elétrons se movem de um material do tipo p para um material do tipo n através de um contato elétrico, eles devem superar uma barreira de energia e retirar energia da rede cristalina (junção fria) para fazer isso. Por outro lado, ao passar de um material do tipo n para um material do tipo p, os elétrons doam energia para a rede (junção quente).

Efeito Peltier:

efeito Thomson

O efeito Thomson é que quando uma corrente elétrica flui através de um condutor ou semicondutor no qual é criado um gradiente de temperatura, além do calor Joule, uma certa quantidade de calor é liberada ou absorvida (dependendo da direção da corrente).

A razão física para esse efeito está relacionada ao fato de que a energia dos elétrons livres depende da temperatura. Então os elétrons adquirem uma energia maior no composto quente do que no frio. A densidade de elétrons livres também aumenta com o aumento da temperatura, resultando em um fluxo de elétrons da extremidade quente para a extremidade fria.

A carga positiva se acumula na extremidade quente e a carga negativa na extremidade fria. A redistribuição de cargas impede o fluxo de elétrons e, a uma certa diferença de potencial, o interrompe completamente.

Os fenômenos descritos acima ocorrem de maneira semelhante em substâncias com condução de buracos, com a única diferença de que a carga negativa se acumula na extremidade quente e os orifícios carregados positivamente na extremidade fria. Portanto, para substâncias com condutividade mista, o efeito Thomson acaba sendo desprezível.

Efeito Thomson:

O efeito Thomson não encontrou aplicação prática, mas pode ser usado para determinar o tipo de condutividade de impurezas de semicondutores.

Uso prático dos efeitos Seebeck e Peltier

Fenômenos termoelétricos: efeitos de Seebeck e Peltier — encontram aplicação prática em conversores de calor sem máquina para energia elétrica — geradores termoelétricos (TEG), em bombas de calor — dispositivos de refrigeração, termostatos, condicionadores de ar, em sistemas de medição e controle, como sensores de temperatura, fluxo de calor (consulte — conversores termoelétricos).

No coração dos dispositivos termoelétricos estão transdutores de elementos semicondutores especiais (termoelementos, módulos termoelétricos), por exemplo, como TEC1-12706. Leia mais aqui: Elemento Peltier - como funciona e como verificar e conectar