Os fenômenos termoelétricos são um tópico separado na física, no qual eles consideram como a temperatura pode gerar eletricidade, e os últimos levam a uma mudança na temperatura. Um dos primeiros fenômenos termoelétricos descobertos foi o efeito Seebeck.
Pré-requisitos para abrir o efeito
Em 1797, o físico italiano Alessandro Volta, realizando pesquisas no campo da eletricidade, descobriu um dos fenômenos surpreendentes: descobriu que quando dois materiais sólidos entram em contato, aparece uma diferença de potencial na área de contato. É a chamada diferença de contato. Fisicamente, este fato significa que a zona de contato de materiais diferentes possui uma força eletromotriz (EMF) que pode levar ao aparecimento de uma corrente em um circuito fechado. Se agora dois materiais estiverem conectados em um circuito (para formar dois contatos entre eles), o EMF especificado aparecerá em cada um deles, que será o mesmo em magnitude, mas oposto em sinal. Este último explica por que nenhuma corrente é gerada.
A razão para o aparecimento de EMF é um nível diferente de Fermi (energiaestados de valência dos elétrons) em diferentes materiais. Quando estes últimos entram em contato, o nível de Fermi se estabiliza (em um material diminui, em outro aumenta). Esse processo ocorre devido à passagem de elétrons pelo contato, o que leva ao aparecimento de um EMF.
Deve-se notar imediatamente que o valor EMF é insignificante (da ordem de alguns décimos de volt).
Descoberta de Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (físico alemão) em 1821, ou seja, 24 anos após a descoberta da diferença de potencial de contato por Volt, realizou o seguinte experimento. Ele conectou uma placa de bismuto e cobre e colocou uma agulha magnética ao lado deles. Neste caso, como mencionado acima, não ocorreu nenhuma corrente. Mas assim que o cientista trouxe a chama do queimador para um dos contatos dos dois metais, a agulha magnética começou a girar.
Agora sabemos que a força Ampère criada pelo condutor de corrente fez com que ele girasse, mas na época Seebeck não sabia disso, então ele erroneamente assumiu que a magnetização induzida dos metais ocorre como resultado da temperatura diferença.
A explicação correta para este fenômeno foi dada alguns anos depois pelo físico dinamarquês Hans Oersted, que apontou que estamos falando de um processo termoelétrico, e uma corrente flui através de um circuito fechado. No entanto, o efeito termoelétrico descoberto por Thomas Seebeck atualmente leva seu sobrenome.
Física dos processos em andamento
Mais uma vez consolidar o material: a essência do efeito Seebeck é induzircorrente elétrica como resultado da manutenção de temperaturas diferentes de dois contatos de materiais diferentes, que formam um circuito fechado.
Para entender o que acontece neste sistema e por que a corrente começa a correr nele, você deve se familiarizar com três fenômenos:
- A primeira já foi mencionada - trata-se da excitação do EMF na região de contato devido ao alinhamento dos níveis de Fermi. A energia deste nível nos materiais muda à medida que a temperatura aumenta ou diminui. Este último fato levará ao aparecimento de uma corrente se dois contatos estiverem fechados em um circuito (as condições de equilíbrio na zona de contato de metais em diferentes temperaturas serão diferentes).
- O processo de mover portadores de carga de regiões quentes para regiões frias. Esse efeito pode ser entendido se lembrarmos que elétrons em metais e elétrons e buracos em semicondutores podem, em primeira aproximação, ser considerados um gás ideal. Como se sabe, este último, quando aquecido em volume fechado, aumenta a pressão. Ou seja, na zona de contato, onde a temperatura é maior, a "pressão" do gás do elétron (buraco) também é maior, de modo que os portadores de carga tendem a ir para áreas mais frias do material, ou seja, para outro contato.
- Finalmente, outro fenômeno que leva ao aparecimento de corrente no efeito Seebeck é a interação de fônons (vibrações de rede) com portadores de carga. A situação se parece com um fônon, movendo-se de uma junção quente para uma junção fria, "atinge" um elétron (buraco) e transmite energia adicional a ele.
Marcou três processoscomo resultado, a ocorrência de corrente no sistema descrito é determinada.
Como é descrito este fenômeno termoelétrico?
Muito simples, para isso eles introduzem um certo parâmetro S, que é chamado de coeficiente de Seebeck. O parâmetro mostra se o valor EMF é induzido se a diferença de temperatura de contato for mantida igual a 1 Kelvin (graus Celsius). Ou seja, você pode escrever:
S=ΔV/ΔT.
Aqui ΔV é a EMF do circuito (tensão), ΔT é a diferença de temperatura entre as junções quente e fria (zonas de contato). Esta fórmula é apenas aproximadamente correta, pois S geralmente depende da temperatura.
Os valores do coeficiente Seebeck dependem da natureza dos materiais em contato. No entanto, podemos dizer com certeza que para materiais metálicos esses valores são iguais a unidades e dezenas de μV/K, enquanto para semicondutores são centenas de μV/K, ou seja, os semicondutores possuem uma ordem de grandeza de força termoelétrica maior que os metais. A razão para este fato é uma maior dependência das características dos semicondutores em relação à temperatura (condutividade, concentração de portadores de carga).
Eficiência do processo
O fato surpreendente da transferência de calor em eletricidade abre grandes oportunidades para a aplicação desse fenômeno. No entanto, para seu uso tecnológico, não apenas a ideia em si é importante, mas também as características quantitativas. Primeiro, como foi mostrado, a fem resultante é bem pequena. Este problema pode ser contornado usando uma conexão em série de um grande número de condutores (queé feito na célula Peltier, que será discutida abaixo).
Segundo, é uma questão de eficiência de geração de termoeletricidade. E esta questão permanece em aberto até hoje. A eficiência do efeito Seebeck é extremamente baixa (cerca de 10%). Ou seja, de todo o calor gasto, apenas um décimo dele pode ser usado para realizar trabalho útil. Muitos laboratórios ao redor do mundo estão tentando aumentar essa eficiência, o que pode ser feito desenvolvendo materiais de nova geração, por exemplo, usando nanotecnologia.
Usando o efeito descoberto por Seebeck
Apesar da baixa eficiência, ainda encontra seu uso. Abaixo estão as principais áreas:
- Termopar. O efeito Seebeck é usado com sucesso para medir as temperaturas de vários objetos. De fato, um sistema de dois contatos é um termopar. Se seu coeficiente S e a temperatura de uma das extremidades forem conhecidos, medindo a tensão que ocorre no circuito, é possível calcular a temperatura da outra extremidade. Os termopares também são usados para medir a densidade da energia radiante (eletromagnética).
- Geração de eletricidade em sondas espaciais. Sondas lançadas pelo homem para explorar nosso sistema solar ou além usam o efeito Seebeck para alimentar a eletrônica a bordo. Isso é feito graças a um gerador termoelétrico de radiação.
- Aplicação do efeito Seebeck em carros modernos. BMW e Volkswagen anunciadoso aparecimento em seus carros de geradores termoelétricos que utilizarão o calor dos gases emitidos pelo escapamento.
Outros efeitos termoelétricos
Existem três efeitos termoelétricos: Seebeck, Peltier, Thomson. A essência do primeiro já foi considerada. Quanto ao efeito Peltier, consiste em aquecer um contato e resfriar o outro, se o circuito discutido acima estiver conectado a uma fonte de corrente externa. Ou seja, os efeitos Seebeck e Peltier são opostos.
O efeito Thomson tem a mesma natureza, mas é considerado no mesmo material. Sua essência é a liberação ou absorção de calor por um condutor através do qual flui a corrente e cujas extremidades são mantidas em diferentes temperaturas.
célula Peltier
Quando se fala em patentes de módulos termogeradores com efeito Seebeck, é claro que a primeira coisa que eles lembram é a célula Peltier. É um dispositivo compacto (4x4x0,4 cm) feito de uma série de condutores tipo n e p conectados em série. Você pode fazer isso sozinho. Os efeitos Seebeck e Peltier estão no centro de seu trabalho. As tensões e correntes com as quais trabalha são pequenas (3-5 V e 0,5 A). Como mencionado acima, a eficiência de seu trabalho é muito pequena (≈10%).
É usado para resolver tarefas cotidianas como aquecer ou resfriar água em uma caneca ou recarregar um celular.
