Les phénomènes thermoélectriques sont un sujet distinct en physique, dans lequel ils examinent comment la température peut générer de l'électricité, et cette dernière entraîne un changement de température. L'effet Seebeck est l'un des premiers phénomènes thermoélectriques découverts.
Prérequis pour ouvrir l'effet
En 1797, le physicien italien Alessandro Volta, menant des recherches dans le domaine de l'électricité, découvrit l'un des phénomènes étonnants: il découvrit que lorsque deux matériaux solides entrent en contact, une différence de potentiel apparaît dans la zone de contact. C'est ce qu'on appelle la différence de contact. Physiquement, cela signifie que la zone de contact de matériaux dissemblables a une force électromotrice (EMF) qui peut conduire à l'apparition d'un courant dans un circuit fermé. Si maintenant deux matériaux sont connectés dans un circuit (pour former deux contacts entre eux), alors l'EMF spécifié apparaîtra sur chacun d'eux, qui sera de même amplitude, mais de signe opposé. Ce dernier explique pourquoi aucun courant n'est généré.
La raison de l'apparition de l'EMF est un niveau différent de Fermi (énergieétats de valence des électrons) dans différents matériaux. Lorsque ces derniers entrent en contact, le niveau de Fermi se stabilise (dans un matériau il diminue, dans un autre il augmente). Ce processus se produit en raison du passage d'électrons à travers le contact, ce qui conduit à l'apparition d'un EMF.
Il convient de noter tout de suite que la valeur EMF est négligeable (de l'ordre de quelques dixièmes de volt).
Découverte de Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (physicien allemand) en 1821, soit 24 ans après la découverte de la différence de potentiel de contact par Volt, a mené l'expérience suivante. Il connecta une plaque de bismuth et de cuivre et plaça une aiguille magnétique à côté d'eux. Dans ce cas, comme mentionné ci-dessus, aucun courant ne s'est produit. Mais dès que le scientifique a amené la flamme du brûleur à l'un des contacts des deux métaux, l'aiguille aimantée s'est mise à tourner.
Maintenant, nous savons que la force Ampère créée par le conducteur porteur de courant l'a fait tourner, mais à ce moment-là, Seebeck ne le savait pas, il a donc supposé à tort que la magnétisation induite des métaux se produit en raison de la température différence.
L'explication correcte de ce phénomène a été donnée quelques années plus tard par le physicien danois Hans Oersted, qui a souligné que nous parlons d'un processus thermoélectrique et qu'un courant circule dans un circuit fermé. Néanmoins, l'effet thermoélectrique découvert par Thomas Seebeck porte actuellement son nom de famille.
Physique des processus en cours
Encore une fois pour consolider la matière: l'essence de l'effet Seebeck est d'induirecourant électrique résultant du maintien de températures différentes de deux contacts de matériaux différents, qui forment un circuit fermé.
Pour comprendre ce qui se passe dans ce système et pourquoi le courant commence à y circuler, vous devez vous familiariser avec trois phénomènes:
- Le premier a déjà été mentionné - il s'agit de l'excitation de la FEM dans la région de contact due à l'alignement des niveaux de Fermi. L'énergie de ce niveau dans les matériaux change lorsque la température augmente ou diminue. Ce dernier fait conduira à l'apparition d'un courant si deux contacts sont fermés dans un circuit (les conditions d'équilibre dans la zone de contact des métaux à différentes températures seront différentes).
- Le processus de déplacement des porteurs de charge des régions chaudes vers les régions froides. Cet effet peut être compris si l'on se souvient que les électrons dans les métaux et les électrons et les trous dans les semi-conducteurs peuvent, en première approximation, être considérés comme un gaz parfait. Comme on le sait, ce dernier, lorsqu'il est chauffé dans un volume fermé, augmente la pression. En d'autres termes, dans la zone de contact, où la température est plus élevée, la "pression" du gaz d'électrons (trous) est également plus élevée, de sorte que les porteurs de charge ont tendance à se diriger vers des zones plus froides du matériau, c'est-à-dire vers un autre contact.
- Enfin, un autre phénomène qui conduit à l'apparition de courant dans l'effet Seebeck est l'interaction des phonons (vibrations du réseau) avec les porteurs de charge. La situation ressemble à un phonon, passant d'une jonction chaude à une jonction froide, "frappant" un électron (trou) et lui conférant une énergie supplémentaire.
Marqué trois processusen conséquence, l'occurrence du courant dans le système décrit est déterminée.
Comment ce phénomène thermoélectrique est-il décrit ?
Très simple, pour cela ils introduisent un certain paramètre S, qui s'appelle le coefficient Seebeck. Le paramètre indique si la valeur EMF est induite si la différence de température de contact est maintenue égale à 1 Kelvin (degré Celsius). Autrement dit, vous pouvez écrire:
S=ΔV/ΔT.
Ici ΔV est la FEM du circuit (tension), ΔT est la différence de température entre les jonctions chaudes et froides (zones de contact). Cette formule n'est qu'approximativement correcte, puisque S dépend généralement de la température.
Les valeurs du coefficient Seebeck dépendent de la nature des matériaux en contact. Néanmoins, nous pouvons certainement dire que pour les matériaux métalliques, ces valeurs sont égales à des unités et des dizaines de μV/K, tandis que pour les semi-conducteurs, elles sont des centaines de μV/K, c'est-à-dire que les semi-conducteurs ont une force thermoélectrique d'un ordre de grandeur supérieur à celui des métaux.. La raison de ce fait est une plus forte dépendance des caractéristiques des semi-conducteurs à la température (conductivité, concentration des porteurs de charge).
Efficacité des processus
Le fait surprenant du transfert de chaleur en électricité ouvre de grandes opportunités pour l'application de ce phénomène. Néanmoins, pour son utilisation technologique, non seulement l'idée elle-même est importante, mais aussi les caractéristiques quantitatives. Tout d'abord, comme cela a été montré, la force électromotrice résultante est assez petite. Ce problème peut être contourné en utilisant une connexion en série d'un grand nombre de conducteurs (quise fait dans la cellule Peltier, dont il sera question ci-dessous).
Deuxièmement, c'est une question d'efficacité de production de thermoélectricité. Et cette question reste ouverte à ce jour. L'efficacité de l'effet Seebeck est extrêmement faible (environ 10%). C'est-à-dire que de toute la chaleur dépensée, un dixième seulement peut être utilisé pour effectuer un travail utile. De nombreux laboratoires à travers le monde tentent d'augmenter cette efficacité, ce qui peut se faire en développant des matériaux de nouvelle génération, par exemple en utilisant les nanotechnologies.
Utilisation de l'effet découvert par Seebeck
Malgré la faible efficacité, il trouve toujours son utilité. Voici les principaux domaines:
- Thermocouple. L'effet Seebeck est utilisé avec succès pour mesurer les températures de divers objets. En fait, un système de deux contacts est un thermocouple. Si son coefficient S et la température de l'une des extrémités sont connus, alors en mesurant la tension qui se produit dans le circuit, il est possible de calculer la température de l'autre extrémité. Les thermocouples sont également utilisés pour mesurer la densité de l'énergie rayonnante (électromagnétique).
- Génération d'électricité sur les sondes spatiales. Des sondes lancées par l'homme pour explorer notre système solaire ou au-delà utilisent l'effet Seebeck pour alimenter l'électronique à bord. Cela se fait grâce à un générateur thermoélectrique à rayonnement.
- Application de l'effet Seebeck dans les voitures modernes. BMW et Volkswagen ont annoncél'apparition dans leurs voitures de générateurs thermoélectriques qui utiliseront la chaleur des gaz émis par le tuyau d'échappement.
Autres effets thermoélectriques
Il existe trois effets thermoélectriques: Seebeck, Peltier, Thomson. L'essence de la première a déjà été examinée. Quant à l'effet Peltier, il consiste à chauffer un contact et à refroidir l'autre, si le circuit évoqué ci-dessus est relié à une source de courant externe. Autrement dit, les effets Seebeck et Peltier sont opposés.
L'effet Thomson a la même nature, mais il est considéré sur le même matériau. Son essence est la libération ou l'absorption de chaleur par un conducteur traversé par un courant et dont les extrémités sont maintenues à différentes températures.
Cellule Peltier
Quand on parle de brevets pour des modules thermo-générateurs avec l'effet Seebeck, alors, bien sûr, la première chose dont ils se souviennent est la cellule Peltier. Il s'agit d'un appareil compact (4x4x0,4 cm) composé d'une série de conducteurs de type n et p connectés en série. Tu peux le faire toi-même. Les effets Seebeck et Peltier sont au cœur de son travail. Les tensions et courants avec lesquels il fonctionne sont faibles (3-5 V et 0,5 A). Comme mentionné ci-dessus, l'efficacité de son travail est très faible (≈10%).
Il est utilisé pour résoudre des tâches quotidiennes telles que chauffer ou refroidir de l'eau dans une tasse ou recharger un téléphone portable.
