Efecte termoelectrice

Efecte termoelectrice

Notiuni teoretice:

Efectul termoelectric este conversia directa a diferentei de temperatura in tensiune electrica si vice versa. Acest efect poate fi folosit pentru a genera electricitate, pentru a masura temperatura si a pentru a raci obiectele. Din cauza directiilor de racire sau incalzire determinate de sensul tensiunii aplicate, efectul termoelectric controleaza foarte bine temparatura.

Efectul termoelectric incorporeaza trei mecanisme indentificate separat: Efectul Seebeck, Efectul Peltier si Efectul Thomson.

Efectul Seebeck este conversia directa a diferentei de temperatura in electricitate. La curent electric nul apare o tensiune (forta) electromotoare daca gradientul termic este nenul.Coeficientul Seebeck este definit ca tensiunea de mers in gol produsa intre doua puncte pe un conductor in lugul caruia exista o distributie monotona, uniforma de temperatura - intre cele doua puncte caderea de temperature este 1K.

In circuitul:

,

unde:

S_A, S_B sunt coeficientii Seebeck ai metalelor A si B;

T₁,T₂ temperaturile celor doua parti ale jonctiunii.

Daca luam coeficinetii Seebeck constanti pentru a masura gradul temperaturii,

tensiunea devine:

.

In 1834 Peltier a descoperit ca la trecerea unui curent electric finit (nenul) printr-un conductor electric izoterm este insotita de prezenta unui flux de caldura, acesta fiind denumit efectul Peltier. Acesta este opusului efectului Seebeck.

,

unde:
- _AB este coeficinetul Peltier a intregului termocuplu;

- Π_A, Π_B sunt coeficientii Peltier pentru fiecare material in parte.

William Thomson a explicat efectele Seebeck si Peltier si relatia

dintre ele. Prima relatie arata ca efectul Seebeck este o combinatie intre efectele Peltier si Thomson, si ea este: .

A doua relatie se refera strict la coeficientul Thomson:

Efectul Peltier este deasemenea cunoscut si ca efect Peltier-Joule deoarece au la baza acelasi principiu, adica la trecerea unui curent electric nenul print-un conductor apare un flux de caldura. Incalzirea este generata de aplicarea unei tensiuni unui material rezistiv, dar asta nu inseamna ca intotdeauna determina un efect termoelectric. Aici se face diferenta intre cele doua efecte: Peltier si Joule. Efectele Peltier-Seebeck si Thomson sunt reversibile, in schimb efectul Joule este reversibil doar in mod teoretic prin apliarea principiilor termodinamici.

Experimentul:

Celula de mai sus (subtire) este construita dintr-un material semiconductor (InSb) care este omogen, izotrop iar parametrii sai depind doar de temperatura. Fiecare celula este in contact cu o sursa calda (marginea din dreapta) si o sursa rece (marginea din

stanga). Bornele electrice sunt marcate cu linie groasa ca in figura de mai sus. Pentru aceasta structura care functioneaza in regim termoelectric se vor determina caracteristicile de mers in gol ( R_S→∞)si de scurtcircuit ( R_S→0). Descrierea acestor procese se face cel mai bine cu ajutorul legii conductiei termice si legii conductiei electrice:

Se efectueaza o verificari pentru a stabili veridicitatea experimentului. Problema prezinta simetrie, deci curentul de caldura 'care intra' este numeric egala cel care 'care iese' ; aceasta aplicandu-se in cazul fetelor izoterme. Astfel avem pentru borna 1 valoarea : 0,001513 A/m iar pentru borna 28 : 0,001613 A/m. Pentru regimul de mers in gol se calculezea valoarea medie a potentialului electric la borna pozitiva (27) prin modificarea rezolutiei retelei de discretizare ; astfel avem valoarea : -1,361781e-10. Deasemenea pentru regimul de scurtcircuit se verifica bilantul curentilor electrici la bornele electrice, astfel avem valorile : pentru borna 27 avem 4,588716e-5 iar pentru borna 2 avem 4,284393e-5.

Se analizeaza caracteristica de mers in gol pentru gradientii termici(diferenta de temperatura intre peretii verticali, "borne termice") T_H-T_C = 273+10, 20, 40, 60, 80, 100º si se traseaza graficul. Pentru regimul de mers in gol valoarea potentialului electric la borna 2 este 0. In tabelul de mai jos avem valorile pentru potentialul electric si pentru curentul electric.

Fig.1:Graficul potentialului electric    Fig.2: Graficul curentului electric

Se observa dupa analiza graficelor ca variatia este moderata pentru diferentele de temperatura date.

Zona de functionare liniara apare in ambele cazuri pentru valori mai mari de 60⁰ ale diferentei de temperature. Pentru determinarea pantei caracteristice zonei liniare se iau doua puncte: A(x₁,y₁) si B(x₂,y₂). Panta este:

.

Se analizeza caracteristica de mers in scurtcircuit pentru gradientii termici (diferente de temperatura la peretii verticali) T_H-T_C = 273+10, 20, 40, 60, 80, 100º. In tabelul de mai jos avem caracteristicile de mers in scurtciruit pentru bornele verticale: 2 si 27.

Se traseaza grafic caracteristicile doar pentru borna 2 deoarece valorile pentru borna 27 sunt practic egale ele variind dupa a patra zecimala.

Se oberva din graficul carcteristicii dentinta de crestere continua a acesteaia pentru valorii ale diferentei de temperatura cuprinse intre [ 10⁰- 100⁰ ]. De aici rezulta ca zona de liniaritate se intalneste pentru valorii mai mari decat 100⁰ ale caracteristicii de mers in scurtcircuit. Insa formula de calcul este aceeasi si pentru panta caracteristicii de mers in gol cat si pentru panta caracteristii de mers in scutcircuit.

Dupa analiza caractersticilor rezulta faptul ca efectul Seebeck este cel "util", aceasta fiind determinata si de aparitia zonei de liniaritate la caracteristica de mers in gol mai devreme, adica la valori mai mari de 60⁰, fata de cea de scurtcircuit. Deasemenea efectul Peltier este cel care scade eficienta celului datorita contributiei lui majore la reducerea eficientei conversiei termoelectrice.

Fie doua metale A si B sub forma de sarme ale caror capete le unim prin sudura, lipire sau pur si simplu rasucire realizand in acest fel doua jonctiuni 1 si 2. Daca cele doua jonctiuni se mentin la temperaturi diferite T_1,T₂ atunci prin circuit va circula un curent electric datorita tensiunii electrice generate de diferenta de temperatura dintre cele doua jonctiuni. Intrerupand unul din conductori vom putea masura diferenta de potential generata de diferenta de temperatura dintre cele doua jonctiuni. Acest fenomen a fost pus in evidenta de Seebeck in anul 1821 si poarta numele de efect Seebeck.