Tag: termoelettricità

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Dal calore alla corrente e viceversa

Come abbiamo detto nell’articolo “Che cos’è la termoelettricità?” essa rappresenta una branca della fisica che studia le interazioni fra gradienti di temperatura e differenze di potenziale elettrico in materiali liquidi e solidi. In questo articolo accenniamo il primo dei tre principali fenomeni che si possono verificare in assenza di campo magnetico: l’effetto Seebeck.

Effetto Seebeck

Consideriamo un circuito chiuso costituito da due conduttori (o da due semiconduttori) metallici differenti* (ma possono essere anche più di due) le cui giunzioni siano mantenute a diverse temperature, in tale situazione è possibile rilevare nel circuito il passaggio di corrente elettrica. Questo particolare effetto termoelettrico prende il nome di effetto Seebeck dal nome del fisico Thomas Johann Seebeck che lo scoprì nel 1826.

Nell’immagine in basso vengono schematizzati i due metalli (denominati A e B) con due colori diversi. I punti di giunzione sono i punti indicati con 1 e 2 nei quali si hanno le temperature T1 e T2. Se le due temperature T1 e T2 sono differenti si forma una forza elettromotrice (E_AB) denominata termoelettrica.

Il coefficiente di Seebeck, o potere termoelettrico, indica la propensione di un materiale a manifestare l’effetto omonimo. Tale indice si rappresenta con la lettera S, esso non è lineare e varia a seconda del materiale conduttivo, della sua struttura cristallina e della sua temperatura assoluta. La relazione che lega la differenza di temperatura delle giunzioni (ΔT = T_hot – T_cold) alla differenza di potenziale conseguente (V), tiene conto del coefficiente di Seebeck (S): V = S · ΔT

I portatori di carica, ovvero gli elettroni e le lacune, si diffondono spontaneamente dalla zona a temperatura più alta alla zona a temperatura più bassa. Premesso ciò possiamo distinguere due casi:

In presenza di portatori di carica positivi (lacune – semiconduttori di tipo p), all’equilibrio elettrico, la zona a temperatura più alta si carica negativamente mentre la zona a temperatura più bassa si carica positivamente e la differenza di potenziale che si instaura contrasta la diffusione termica. Il campo elettrico va dalla parte fredda verso la parte calda ed è concorde con il gradiente di temperatura (indica la direzione di crescita della temperatura), il coefficiente di Seebeck è positivo.

Ricapitolando:
portatori di carica positivi,
diffusione portatori di carica dalla zona a temp. più alta alla zona a temp. più bassa
diffusione termica dalla zona a temp. più alta alla zona a temp. più bassa
zona a temperatura più alta carica negativamente (-),
zona a temperatura più bassa carica positivamente (+),
la differenza di potenziale contrasta la diffusione termica,
il campo elettrico va dalla parte fredda (+) verso la parte calda (-),
il campo elettrico è concorde con il gradiente di temperatura,
il coefficiente di Seebeck è positivo.

In presenza di portatori di carica negativi (elettroni – metalli o semiconduttori di tipo n), all’equilibrio elettrico, la zona a temperatura più alta si carica positivamente mentre la zona a temperatura più bassa si carica negativamente. Il campo elettrico va dalla parte calda verso la parte fredda ed è discorde con il gradiente di temperatura (indica la direzione di crescita della temperatura), il coefficiente di Seebeck è negativo.

Ricapitolando:
portatori di carica negativi,
diffusione portatori di carica dalla zona a temp. più alta alla zona a temp. più bassa
diffusione termica dalla zona a temp. più alta alla zona a temp. più bassa
zona a temperatura più alta carica positivamente (+),
zona a temperatura più bassa carica negativamente (-),
il campo elettrico va dalla parte calda (+) verso la parte fredda (-),
il campo elettrico è discorde con il gradiente di temperatura,
il coefficiente di Seebeck è negativo.

In sostanza, nell’effetto Seebeck, l’accoppiamento di conduttori metallici differenti è la condizione, la presenza di differenti temperature nelle giunzioni è la causa e la generazione di corrente elettrica è la conseguenza.

*Un tipico esempio è rappresentato dall’antimonio e bismuto di numero atomico rispettivamente 51 e 83.

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Che cos’è la termoelettricità?

Nell’immagine vengono schematizzati i due metalli (denominati A e B) con due colori diversi.
I punti di giunzione sono i punti indicati con 1 e 2 nei quali si hanno le temperature T1 e T2.
Se le due temperature T1 e T2 sono differenti si forma una forza elettromotrice (E_AB) denominata
termoelettrica. Nel prossimo articolo di questa rubrica cercheremo di capire perchè lo schema
rappresentativo dell’effetto Seebeck sia pressoché il medesimo dell’effetto Peltier.