Effetto Seebeck

L’effetto Seebeck S o effetto termoelettrico è un fenomeno scoperto nel 1821 dal fisico estone Thomas Johann Seebeck in cui l’energia termica può essere convertita in energia elettrica. L’effetto Seebeck è la forza elettromotrice che si sviluppa attraverso due punti di un materiale elettricamente conduttore quando c’è una differenza di temperatura tra loro.

L’ effetto Seebeck descrive la formazione di una differenza di potenziale ΔV attraverso un semiconduttore o conduttore dovuta alla diffusione di portatori di carica lungo un gradiente di temperatura ΔT  = T_caldo − T_freddo , che il materiale sperimenta perché un suo lato viene riscaldato o raffreddato.

Le cariche si spostano dal lato caldo a quello freddo, determinando un gradiente nel numero di portatori di carica che, all’equilibrio, è bilanciato dal campo elettrico interno risultante. La tensione è proporzionale alla differenza di temperatura e dipende dai materiali utilizzati.

Pertanto S può essere definito dall’equazione S = ΔV/ΔT = V_caldo – V_freddo /T_caldo − T_freddo

Principio dell’effetto Seebeck

L’effetto Seebeck si basa sul principio della termoelettricità, che è la relazione tra temperatura e potenziale elettrico. Quando due conduttori diversi con temperature diverse vengono messi in contatto, gli elettroni nel conduttore caldo acquistano energia e si spostano nel conduttore più freddo.

Ciò crea una differenza di tensione tra i due diversi conduttori e una corrente elettrica scorre attraverso il circuito.  L’entità della tensione generata dall’effetto Seebeck è proporzionale alla differenza di temperatura tra i due conduttori e alle proprietà dei conduttori stessi.

La relazione tra la tensione e la differenza di temperatura è descritta dal coefficiente di Seebeck, che è una costante specifica del materiale. Il coefficiente di Seebeck è definito come il rapporto tra la tensione generata e la differenza di temperatura tra i due conduttori.

Tuttavia, materiali diversi hanno numeri e tipi diversi di elettroni disponibili per la conduzione. Alcuni materiali hanno più elettroni di altri e alcuni hanno elettroni con orientamenti di spin diversi. Lo spin è una proprietà quantistica degli elettroni che li fa agire come minuscoli magneti. Quando due materiali con caratteristiche elettroniche diverse vengono uniti, formano un’interfaccia dove gli elettroni possono scambiare energia e spin

Termocoppie e effetto Seebeck

Una termocoppia è un trasduttore di temperatura ed è costituita da due metalli diversi, uniti ad una estremità. Il principio di funzionamento della termocoppia si basa su tre effetti, scoperti da Seebeck, Peltier e Thomson:

Effetto Seebeck: quando due metalli diversi o dissimili vengono uniti insieme in due giunzioni, viene generata una forza elettromotrice nelle due giunzioni. La quantità di f.e.m. generata è diversa per le diverse combinazioni di metalli.

Effetto Peltier: quando due metalli diversi vengono uniti per formare due giunzioni, la f.e.m. viene generata all’interno del circuito a causa delle diverse temperature delle giunzioni del circuito.

Effetto Thomson: quando due metalli diversi vengono uniti per formare giunzioni, il potenziale esiste all’interno del circuito a causa del gradiente di temperatura lungo l’intera lunghezza dei conduttori all’interno del circuito.

Quando la giunzione dei due metalli viene riscaldata o raffreddata, viene prodotta una tensione che può essere legata alla temperatura con l’utilizzo di un termometro. Le termocoppie sono un tipo popolare di sensore di temperatura grazie alla loro robustezza, al prezzo relativamente basso, all’ampio intervallo di temperature e alla stabilità a lungo termine il cui funzionamento si basa sull’effetto Seebeck.

Se una giunzione è aperta, viene generata una forza elettromotrice di contatto. La corrente, o forza elettromotrice, è in prima approssimazione proporzionale alla differenza di temperatura ΔT tra le due giunzioni.  Poiché le termocoppie rispondono direttamente alle differenze di temperatura, sono convenienti per misurare i gradienti di temperatura.

Prima dei moderni progressi in campo elettronico, come estremità di riferimento del circuito della termocoppia veniva utilizzata una temperatura di riferimento reale come, ad esempio, un bagno di acqua e ghiaccio. Oggi questo non è più necessario perché la temperatura di riferimento può essere ottenuta elettronicamente.

Generatori termoelettrici

I generatori termoelettrici (TEG), conosciuti come generatori Seebeck, sono dei dispositivi a semiconduttore che trasformano un flusso di calore in energia elettrica. Questi dispositivi che utilizzano l’effetto Seebeck per convertire il calore in elettricità per applicazioni speciali, come l’alimentazione di veicoli spaziali, sensori remoti e impianti medici.

Questo effetto descrive la conversione del gradiente di temperatura in energia elettrica alle giunzioni degli elementi termoelettrici di un dispositivo generatore termoelettrico. Due conduttori distinti A e B sono collegati tra loro per comporre le giunzioni di un circuito.

I generatori termoelettrici sono costituiti da due giunzioni primarie, note come elementi di tipo p ad alta concentrazione di carica positiva e di tipo n contenente un’alta concentrazione di carica negativa. Gli elementi di tipo p sono drogati in modo tale da avere un elevato numero di cariche positive o di lacune che conferiscono loro un coefficiente di Seebeck positivo.

Gli elementi di tipo n sono drogati per contenere un’alta concentrazione di carica negativa o di elettroni che conferiscono loro un coefficiente di Seebeck negativo. Quando si verifica una connessione elettrica tra l’elemento di tipo p e l’elemento di tipo n, per ogni lacuna che migra nel materiale di tipo n, un elettrone dal tipo n si sposta nel materiale di tipo p.

Questi conduttori sono collegati elettricamente in serie e termicamente in parallelo. Una giunzione ha la temperatura calda Th e un altro ha la temperatura fredda Tc, con Th più grande di Tc. L’effetto Seebeck si verifica a causa della diffusione termica che provoca il movimento dei portatori di carica costituiti da elettroni o lacune attraverso o contro la differenza di temperatura nei conduttori